Фамилия Сустаева — женская форма мужской фамилии Сустаев. В основе лежит прозвище или нецерковное имя Сустай. Слово «сустай» в русских говорах имело несколько значений, и выбор наиболее вероятного зависит от региона, где фамилия закрепилась.

Самая распространённая версия связывает прозвище с диалектным глаголом «сустать» — устать, изнемочь, выбиться из сил. В этом случае Сустаем могли назвать медлительного, вялого человека или того, кто часто жаловался на усталость. В северных и сибирских говорах «сустать» означало также «смочь, быть в силах», но с отрицанием: «не сустал» — не смог. Прозвище Сустай могло закрепиться за человеком, который часто говорил «не сустаю» (не успеваю, не справляюсь).

Менее очевидная, но возможная версия — от слова «сустав» в значении «сочленение костей». В старину так могли прозвать человека с характерной походкой, хромотой или болезнью суставов. Однако эта гипотеза слабее: суффикс -ай в русских прозвищах обычно образуется от глагольных основ (Ломай, Бросай, Скучай), а не от существительных.

Фамилия Сустаев встречается преимущественно в центральных областях России, особенно в Тверской и соседних губерниях. Встречается также вариант написания Сустоев — с буквой «о» вместо «а» под ударением, что отражает местное произношение. В XIX веке носители фамилии числились в основном среди государственных крестьян и мещан.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Сустаев буквально означает «сын Сустая». Модель образования типична для русских фамилий, возникших от прозвищ на -ай. Родственные фамилии — Сустатов, Сустин, но они встречаются реже и имеют другую основу.