Фамилия Пустолаев — один из тех случаев, когда прозвище, лёгшее в основу, звучит почти как готовая характеристика человека. Самая прямая и очевидная версия: перед нами прозвище Пустолай, то есть «пусто лающий», — человек, который много говорит впустую, бранится без дела или попусту грозит. В русских говорах «лаять» — не только о собаке, но и о человеке: браниться, ругаться, кричать. Прозвище могло закрепиться за пустозвоном или сварливым, но безобидным соседом.

Модель образования проста: прозвище Пустолай (основа «пусто-» + корень «-ла-») + фамильный суффикс -ев, который присоединяли к основам на мягкий согласный или й. Так Пустолай превратился в Пустолаева — «сын Пустолая». Такие прозвища в XVI–XVII веках были обычным делом в крестьянской и посадской среде: они не столько оскорбляли, сколько метко описывали манеру поведения.

У фамилии мог быть и другой, менее заметный путь. В некоторых говорах «пустолай» — название растения, пустоцвета, который цветёт, но не плодоносит. В переносном смысле так могли назвать бесплодного человека или того, чьи труды не приносят результата. Версия менее вероятна, но не исключена: прозвища по растениям тоже давали.

Стоит обратить внимание на ударение. В современном языке фамилия чаще звучит как Пустола́ев, но в говорах, откуда она пошла, ударение могло падать на первый слог — Пу́столаев. Это не меняет сути, но указывает на живую разговорную основу, а не на книжное сложение.

По географии фамилия редкая, встречается точечно, преимущественно в центральных и южных областях России. В документах XVII–XVIII веков её почти нет — видимо, прозвище не перешло в дворянскую среду и осталось в крестьянских и однодворческих родах. Сегодняшние носители фамилии, скорее всего, потомки тех, кто получил её при переписях как «уличное» имя, а позже закрепил в официальной записи.