Фамилия Сероева — женская форма от Сероев, и её разумнее всего разбирать, отталкиваясь от мужского варианта. В основе лежит прозвище или нецерковное имя Серой. В русских говорах слово «серой» имело несколько значений. Самое прямое — «серый цвет», но в переносном смысле так могли назвать человека неприметного, неяркого, «серого» по характеру или положению. Однако есть и другая, более конкретная версия: в некоторых диалектах «серой» означало «волк» (из-за окраса). Прозвище Серой могли дать либо за внешнее сходство — худой, с серыми глазами или волосами, — либо за повадки: угрюмый, одинокий, нелюдимый, «волчий» человек.

Модель образования типична для русских фамилий: суффикс -ев присоединился к основе на -ой. Фонетически здесь произошло то же, что и в фамилиях Толстой — Толстов, Косой — Косов: окончание -ой отпало, и к корню добавили -ев. То есть Сероев — это «сын Серого» или «из семьи Серого». Вариант с ударением на первый слог (Сероев) указывает на то, что исходное прозвище произносилось с тем же ударением.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным областям России. В старых писцовых книгах и переписях XVII–XVIII веков встречаются крестьяне и посадские люди с прозвищем Серой — чаще всего в Вологодской, Костромской и Вятской губерниях. Там же позже фиксируется и фамилия Сероев. Сословно предки были, скорее всего, крестьянами или ремесленниками: прозвища с цветовой или зооморфной основой редко давали дворянам, если не считать случаев, когда прозвище переходило в служилое сословие через личное имя.

Редкость фамилии объясняется не только её диалектным происхождением, но и тем, что в XIX веке часть носителей могла поменять фамилию на более «благозвучную» — Серов, например. Серов — та же основа, но с другим суффиксом, и она гораздо распространённее. Сероев же остался локальным вариантом, который сохранился в основном у потомков тех, кто не покидал родных мест.