Фамилия Шелкаев образована от прозвища или нецерковного имени Шелкай. Основа здесь — тюркское слово «шелк» (шёлк) с добавлением уменьшительного суффикса -ай. Шелкаем в русских говорах XVI–XVII веков могли называть человека, который торговал шёлком, тканями или работал с ними. Но есть и другая версия: в тюркских языках «шелк» иногда означало «гладкий», «блестящий», и такое прозвище могли дать по внешности — например, человеку с гладкой кожей или блестящими, как шёлк, волосами.

В русской ономастике фамилии на -ай обычно носили прозвищный характер и были распространены в среде служилых людей и крестьян южных и восточных регионов. Суффикс -ев указывает на принадлежность: «чей?» — Шелкаев, то есть сын или потомок Шелкая. Фамилия фиксируется в документах нечасто, но встречается в Поволжье и на Урале, что косвенно подтверждает тюркское происхождение основы — через татарское или башкирское влияние.

В отличие от более известных фамилий вроде Шелковников, где корень тот же, но суффикс другой, Шелкаев сохранил более архаичную, уменьшительную форму. Это говорит о том, что носитель прозвища был младшим или меньшим по статусу — Шелкай, то есть «маленький шёлковый» или «шёлковый парень». В современном русском языке фамилия редкая, и её носители, скорее всего, имеют корни в смешанной русско-тюркской среде, где прозвища такого типа были обычны.