Фамилия Пыхтарева — женская форма от мужской Пыхтарев, и в её основе лежит необычное прозвище или имя, которое напрямую связано с бытом и характером человека. Словообразовательная модель здесь прозрачна: суффикс -ев указывает на принадлежность («чей?»), а корень — Пыхтар-.

Самая вероятная версия происхождения — от прозвища Пыхтарь. В русских говорах «пыхтать» означало тяжело дышать, сопеть, пыхтеть. Пыхтарём могли назвать человека грузного, медлительного или того, кто часто и шумно вздыхал. Второй, не менее правдоподобный вариант — связь с ремеслом. В некоторых регионах «пыхтарём» называли кузнеца или работника у горна, который постоянно раздувал меха (пыхтел от усилий). Таким образом, фамилия могла закрепиться и за мастеровым человеком, и за обладателем характерной внешности или манеры поведения.

В отличие от более распространённых фамилий на -ов/-ев, образованных от крестильных имён (Иванов, Петров), Пыхтарев стоит в ряду прозвищных фамилий, которые реже встречаются и лучше сохраняют связь с живым народным языком. Интересно, что фамилия не имеет однозначной географической привязки: она встречается и в северных, и в южных областях России, что говорит о широкой распространённости самого прозвища. Спорных версий немного — иногда корень пытаются возвести к тюркскому «пыхтыр» (нечто вздутое), но это менее убедительно, так как слово органично вписывается в славянскую звукоподражательную лексику.