Фамилия Пушкаев образована от прозвища или нецерковного имени Пушкай. В русской ономастике суффикс -ай часто указывает на прозвище, данное по характерному действию или качеству: например, Болтай, Ломай, Стреляй. Пушкай, вероятно, означало человека, имевшего отношение к пушке — либо артиллериста, либо мастера-пушкаря, либо просто драчуна и задиру, который «палит» без разбора. В северных и центральных говорах «пушка» могла означать и ружьё, и вообще что-то громоздкое, неуклюжее, так что прозвище могло относиться и к коренастому, тяжеловесному человеку.

Словообразовательная модель Пушкаев — типичная патронимическая фамилия на -ев, означающая «сын Пушкая». В русских фамилиях суффикс -ев пишется после мягких согласных и шипящих, в отличие от твёрдого -ов. Это указывает на то, что основа Пушкай оканчивалась на -й, который смягчал звук. Фамилия нередко путается с Пушкарёвым, но разница существенна: Пушкарёв — от «пушкарь» (ремесло), а Пушкаев — от личного прозвища, что делает её более древней по происхождению, восходящей к XVI–XVII векам, когда прозвища активно переходили в фамилии.

Географически фамилия Пушкаев тяготеет к Поволжью и Приуралью. В переписных книгах и ревизских сказках XVIII–XIX веков носители этой фамилии встречаются в Симбирской, Казанской и Вятской губерниях. Встречается она и среди мордвы-эрзи, что нередко: русские прозвищные фамилии на -ай (Моргай, Стрекай) приживались в финно-угорской среде. Однако ядро фамилии — русское, не связанное с этническим именем.

Спорных версий немного. Некоторые любители этимологии пытаются вывести Пушкаева от тюркского «бушкай» (свободный, вольный), но это натяжка: в русском ономастиконе нет переходов «б» → «п» в этой позиции, а прозвище Пушкай уверенно ложится на русскую почву. Поэтому самая правдоподобная версия — артиллерийская или пушкарская, но не по профессии, а по прозвищу.

В быту фамилия могла писаться и как Пушкаёв (с буквой ё), что меняет ударение. В современном русском языке норма — Пушкаев с ударением на второй слог, хотя в диалектах встречается и на первый. Носителей фамилии немного, она не входит в сотню самых частых, но устойчиво держится в тех регионах, где в XVII веке стояли пушкарские слободы.