Фамилия Сартоева — женская форма мужской фамилии Сартоев, и её происхождение уходит корнями в тюркские языки. Основа «сарт» — старый этноним, которым в Центральной Азии называли оседлое население, в первую очередь земледельцев и торговцев, в отличие от кочевников. В дореволюционной русской этнографии «сартами» именовали узбеков и часть таджиков, а в казахской и киргизской среде это слово могло означать горожанина или купца. Таким образом, прозвище Сарт давали человеку, который либо происходил из оседлых народов, либо занимался торговлей, либо перенял городской образ жизни.

Модель образования фамилии типична для русского ареала: к тюркской основе «сарт» добавили русский патронимический суффикс -ев (вариант -ов после мягкой согласной). Это значит, что Сартоевы — потомки человека по имени или прозвищу Сарт. Фамилия встречается преимущественно у народов Поволжья, Приуралья и Сибири — у татар, башкир, казахов. В русских переписных книгах XVIII–XIX веков фамилии на -ев с тюркской основой нередко фиксировали у служилых татар, ясачных крестьян и торговых людей, которые переходили на русскую модель именования.

Отличительная черта фамилии — редкий суффиксальный вариант. Если бы прозвище Сарт было оформлено по-татарски, фамилия выглядела бы как Сартов (с твёрдым «т») или Сартулы. Русский суффикс -ев указывает на то, что носители фамилии в момент её закрепления уже находились в зоне русского административного и языкового влияния. Встречается также написание Сартаева — с буквой «а» в корне, что может быть диалектным или канцелярским искажением.

Географически фамилия Сартоева наиболее плотно представлена в Оренбургской, Челябинской областях и в Башкортостане. Встречается она и у казахских родов, где аналогичная фамилия Сартов образована от того же корня, но уже по местной модели (без русского суффикса). Сословно предки Сартоевых могли быть как государственными крестьянами, так и представителями торгового сословия — точных данных нет, но этноним «сарт» в любом случае связывает их с городской или оседлой культурой Средней Азии.