Фамилия Сонаевы — редкий случай, когда суффикс -ев указывает на нерусское, скорее всего, тюркское или кавказское происхождение основы. В русской фамильной модели суффикс -ев присоединяется к основам на мягкий согласный или -й, но в фамилии Сонаев корень «Сона» не имеет очевидной славянской этимологии. Это наводит на мысль, что перед нами фамилия, образованная от личного имени или прозвища, бытовавшего в среде народов Северного Кавказа, Закавказья или Поволжья.

Наиболее вероятная версия — происхождение от осетинского мужского имени Сона (Сонай), которое восходит к древнему иранскому корню со значением «красивый», «благой». В осетинской антропонимике имя Сона известно и в составе сложных имен, и как самостоятельное. Суффикс -ев в этом случае — типичный русский патронимический формант, который добавили при оформлении фамилии в официальных документах, особенно в XIX веке, когда осетины, как и многие другие народы империи, получали русские по форме фамилии. Таким образом, Сонаевы — потомки человека по имени Сона, то есть «Сонаевы дети».

Менее распространенная, но возможная версия — связь с тюркским словом «сон» (последний, конец) или «сона» (устойчивое прозвище в ряде тюркских языков, иногда означающее «младший ребенок»). Однако для тюркских фамилий более типичен суффикс -ов, а не -ев, поэтому осетинская версия выглядит предпочтительнее. В любом случае, фамилия Сонаевы не является исконно русской по корню, а сформировалась на стыке культур — в среде, где осетинские или тюркские имена русифицировались через добавление типового окончания.

Географически фамилия тяготеет к Северной Осетии и прилегающим регионам, хотя отдельные носители встречаются и в других частях России. Из-за редкости фамилии в исторических источниках она почти не упоминается в дореволюционных справочниках, что говорит о ее преимущественно крестьянском или казачьем бытовании, без связи с дворянскими родами. Сейчас Сонаевы — это, скорее всего, потомки тех, кто носил имя предка как родовое прозвание, закрепившееся в документах при переписях.