Фамилия Пучаева образована от мужского имени или прозвища Пучай, а тот, в свою очередь, скорее всего, от глагола «пучить» — делать выпуклым, надувать, топорщить. В русских говорах «пуча» означало не только «выпуклость», но и «толстяк», «пузан». Так могли прозвать человека плотного телосложения, с большим животом, либо того, кто имел привычку надувать щёки или хмуриться (пучить брови). Менее вероятна связь с названием реки Пучай — так в древнерусских летописях иногда именовали приток Днепра (ныне Почайна), но фамилии от гидронимов обычно заканчиваются на -ский (-цкий), а не на -ев.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Пучаев буквально значит «сын Пучая». Это типичная русская патронимическая модель, закрепившаяся в XVI–XVII веках сначала у знати, а затем у крестьян и посадских. В отличие от фамилий на -ин, которые образуются от основ на -а/-я (типа Пучинин), здесь основа Пучай дала суффикс -ев, что говорит о древней форме прозвища: скорее всего, оно звучало как Пучай, а не Пуча.

Фамилия редкая, встречается в основном в центральных и южных регионах России — в Тамбовской, Рязанской, Воронежской областях. В дореволюционных метрических книгах попадаются записи о крестьянах Пучаевых, что подтверждает простонародное происхождение: дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано. Однокоренные фамилии — Пучинин, Пучин, Пучков — разошлись по разным суффиксальным моделям, но все они восходят к тому же корню «пуч-/пуч-» с общим значением «выпуклый, толстый, надутый».

Известных исторических деятелей с фамилией Пучаева нет, что типично для фамилий, закрепившихся в крестьянской среде и не попавших в родословные книги.