Фамилия Пыхтеев образована от прозвища Пыхтей, которое восходит к глаголу «пыхтеть» — «дышать сильно, глубоко и скоро». Исходное слово звукоподражательное: оно передаёт само дыхание, с шумом и напряжением. Такие прозвища на Руси давали не в обиду, а как меткую бытовую примету, по которой человека легко узнавали.

Скорее всего, Пыхтеем называли полного человека, которому тяжело дышать при ходьбе. Лишний вес, одышка, тяжёлая поступь — и за человеком закреплялось прозвище, которое потом переходило его детям и внукам. Но у слова есть и второй оттенок: «пыхтеть» означало также «сердиться, дуться, сопеть от недовольства». Отсюда версия, что Пыхтеем могли прозвать гордого, обидчивого человека, который тяжело переживал даже мелкие неудачи и внешне это показывал — пыхтел и надувался.

Вторая гипотеза менее вероятна, но полностью отбрасывать её нельзя. В народной речи оба значения жили рядом, и прозвище могло возникнуть независимо в разных семьях. Однако для большинства случаев правдоподобнее первое объяснение: внешность и манера дышать были заметнее, чем характер, и именно они чаще становились основой для уличного имени.

Словообразовательная модель фамилии простая и типичная для русских фамилий: прозвище Пыхтей + патронимический суффикс -ев. Суффикс указывал на принадлежность: Пыхтеев — сын Пыхтея, потомок Пыхтея. Такая модель была распространена повсеместно, поэтому фамилия не привязана к какому-то одному региону и встречается в разных областях России.

Прозвища с корнем «пых-» дали начало и другим фамилиям: Пыхтин, Пыхов, Пыхачев. Все они родственны Пыхтееву по происхождению, но разошлись по разным ветвям: где-то основой стало другое прозвище — Пыхтя, Пых, Пыхач, а где-то иная форма того же глагола. Родство этих фамилий легко проследить, но каждая из них живёт своей историей.

Сам прозвищный тип, от которого пошла фамилия, — древний. Такие имена не были официальными, их использовали в быту, и лишь с формированием обязательных фамилий в XVII–XIX веках они закрепились за семьями. Потомок человека с прозвищем Пыхтей, получая фамилию, не выбирал её — она просто фиксировала, чей он сын и из какого рода.