Фамилия Ширшаев — одна из тех, где внешняя простота обманчива. На первый взгляд, её основа — «ширш» — кажется звукоподражательной или даже иноязычной, но на деле корень у неё русский, хотя и диалектный. В говорах северных и центральных областей «ширша» или «ширш» — это шершавая поверхность, заусенец, колючка. Прозвище Ширшай могли дать человеку с жёсткими, торчащими волосами, с грубой кожей на руках или просто неуживчивому, колючему по характеру. В этом же ряду — однокоренные фамилии Ширшов, Шершавин, Шершнёв, но Ширшаев выделяется суффиксом -ай, который в русских прозвищах часто придаёт слову оттенок простонародной фамильярности (сравните: Ломай, Бодай, Кричай).

Менее вероятная, но не исключённая версия — связь с тюркским словом «шир» (лев) или «ширши» (рычащий). В таком случае фамилия могла бы появиться в среде татарской или башкирской знати, но русская модель образования на -аев (а не на -ов) для тюркских заимствований нетипична. Чаще тюркские основы дают фамилии вроде Ширшов или Ширшев, а Ширшаев — это именно от русского прозвища.

Встречается фамилия преимущественно на севере и северо-востоке России: в Вологодской, Кировской, Архангельской областях. Там, где диалектное слово «ширша» было в ходу, а не в книжном языке. В XIX веке носители фамилии — в основном государственные крестьяне и мещане. Дворянских родов Ширшаевых не зафиксировано, что тоже говорит о народном, неискусственном происхождении.

С точки зрения словообразования фамилия проста: прозвище Ширшай плюс типичный русский суффикс принадлежности -ев (после мягкого согласного). Ударение, скорее всего, падает на второй слог: Ширшáев. Если встретите написание с двумя «ш» (Ширшшаев) — это опечатка, нормативная форма пишется через одну «ш».