Фамилия Сухляев образована от прозвища или нецерковного имени Сухляй. Основа здесь — прилагательное «сухой», которое в русских говорах имело много значений, не только «не мокрый». Сухлявым могли назвать худощавого, сухощавого человека (отсюда и уменьшительный суффикс -ляй, как в слове «худляй»). В некоторых диалектах «сухой» означало «чёрствый», «неприветливый» или «скупой» — тогда прозвище указывало на характер. Менее вероятно, но возможно, что Сухляем звали человека, жившего на сухом, возвышенном месте, в отличие от «мокрого» болотистого низа.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий: основа на -ай, -яй присоединяет патронимический суффикс -ев (чьим сыном был? — Сухляев). Суффикс -ев, а не -ов, стоит после мягкого согласного [й], что грамматически правильно. Встречаются и родственные фамилии с той же основой: Сухов, Суханов, Сухин, Сухотин. Но Сухляев стоит особняком — редкая модель с суффиксом -ляй, который в русском языке непродуктивен и встречается в основном в прозвищах (сравните: Мозгляй, Кисляй, Гниляй). Такие фамилии часто указывают на севернорусское или вятское происхождение, где диалектные формы на -яй были распространены.

По данным переписей и архивов, фамилия Сухляев встречается в основном в центральных и северных областях России — в Костромской, Вологодской, Кировской областях, а также среди потомков переселенцев в Сибири. Носители, как правило, были крестьянами или мещанами; дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано. В XIX веке фамилия могла записываться через букву «ять» (Сухляевъ), что не меняет её значения.

В ономастической литературе фамилия упоминается редко, но её прозрачная этимология позволяет уверенно говорить о происхождении: перед нами прозвище по внешнему признаку или характеру, закреплённое в родовом имени. Другие версии — например, от тюркского корня — не выдерживают критики, так как основа «сух-» исконно славянская и широко представлена в русской антропонимии.