Фамилия Пустограев — яркий пример прозвищной фамилии, построенной по модели «глагол в повелительном наклонении + существительное». Такие фамилии (вроде Держиморда, Убейкобыла, Пустограев) в русском языке обычно давали не самому носителю, а его предку, которого за глаза называли по характерному действию или привычке. Основа здесь — «пусто грабить», то есть грабить до пустоты, разорять, отнимать всё до нитки. Это не обязательно буквальный грабёж: прозвище Пустограй мог получить человек, который вёл дела так, что после него ничего не оставалось — будь то в торговле, в хозяйстве или в спорах.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Пустограев — сын Пустограя. В отличие от фамилий на -ов (от основ на твёрдый согласный), здесь основа оканчивается на -ай, поэтому исторически правильная форма — Пустограев, а не Пустограев. Встречается и вариант Пустограев, но он менее точен с точки зрения словообразования.

У этой фамилии нет связи с географическим объектом или крестильным именем — это чисто русская прозвищная фамилия. Встречается она преимущественно в центральных и южных регионах России, но массовой статистики по ней нет: фамилия редкая. В дореволюционных источниках носители могли быть крестьянами, мещанами или казаками — прозвища такого типа бытовали в самых разных сословиях, но чаще в среде, где ценили меткое и прямое слово.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Пустовалов, Пустозвонов, Гробов) показывает, что Пустограев стоит в одном ряду с «характерологическими» прозвищами, которые не столько описывали внешность, сколько оценивали поведение или последствия действий. Возможно, предок был сборщиком податей, который «опустошал» деревню, или просто человеком, про которого говорили: «он пусто грабит» — то есть берёт, не оставляя.