Фамилия Серая — это, вопреки возможному ожиданию, не женская форма самостоятельной фамилии, а историческое родовое имя, закрепившееся именно в такой грамматической форме. В её основе лежит прозвище Серый, которое в старину было распространено в самых разных слоях общества. Чаще всего его давали человеку, который постоянно носил одежду из некрашеного домотканого сукна — серого, естественного цвета. В крестьянском быту такая одежда была обыденностью, но если прозвище прилипало к человеку, оно выделяло его из общей массы, возможно, из-за привычки носить один и тот же серый кафтан или зипун.

Менее очевидный, но вполне реальный смысл прозвища — указание на характер. Серым называли человека простого, неприметного, заурядного, без ярких талантов и амбиций. В этом значении прозвище звучало не обидно, а скорее констатировало факт: человек не стремится выделиться, живёт тихо и незаметно. В некоторых говорах «серым» могли назвать и человека с тусклым, невыразительным цветом лица, что тоже укладывается в логику прозвища.

Существует и третья версия, которую ономасты считают малоправдоподобной, но полностью не отбрасывают: в некоторых регионах фамилию Серая могли дать как просторечную, «облегчённую» форму крестильного имени Сергей. В народной речи Сергей нередко превращался в Серого, и отчество или прозвище от такой формы могло закрепиться за потомками. Однако эта гипотеза уступает первой: слишком уж естественно и наглядно прозвище по цвету одежды, тогда как связь с каноническим именем требует цепочки допущений.

Словообразовательная модель здесь простая и древняя: основа прозвища Сер- плюс окончание -ая. Такие фамилии в форме прилагательного женского рода встречаются в русской традиции, но не так часто, как патронимические на -ов и -ин. Это указывает на то, что фамилия могла закрепиться в среде, где фамилии ещё не были строго унифицированы, либо в семье, где долгое время не было мужского потомства, и родовое прозвище передалось через женскую линию. В любом случае, носительница фамилии Серая может быть уверена: её предки носили прозвище, которое говорило о внешности или характере, а не о происхождении от знатного рода.