Фамилия Сычаев образована от прозвища Сыч, а оно, в свою очередь, — от названия птицы. Сыч — хищная ночная птица из семейства совиных, в народной традиции нелюдимая и угрюмая. Прозвище Сыч давали человеку замкнутому, необщительному, любящему одиночество, либо тому, кто не высыпался и постоянно ходил сонным. В некоторых говорах «сычом» называли ворчливого, недовольного старика.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий: к прозвищу на твердый согласный прибавили суффикс принадлежности -ев. Форма Сычаев, а не Сычов, указывает на то, что в основе лежала не просто фамилия Сыч, а отчество Сыча — «сын Сыча». Суффикс -аев (через -а-) здесь появился из-за того, что в разговорной речи прозвище склонялось как Сыча, Сычи, то есть по мягкому типу. Поэтому правильное написание — через «а» после «ч», хотя на слух фамилия могла произноситься и как Сычов.

Встречается фамилия преимущественно в центральных и южных областях России, а также на Украине, где прозвище Сыч было распространено шире. В исторических документах упоминания о людях с такой фамилией или её основой встречаются с XVII века, в частности среди казачества и крестьян. Родственных фамилий много: Сычев, Сычов, Сычихин, Сычков — все они восходят к тому же корню, но различаются суффиксами, которые указывают на разные диалектные формы или способы образования отчества.

Спорных версий у фамилии почти нет: происхождение от птицы — самое прямое и очевидное. В редких случаях Сычом могли прозвать человека, который держал ручных сычей для охоты, но это скорее исключение. По сословной принадлежности Сычаевы — типичная крестьянская или мещанская фамилия, в дворянских родословных она не встречается.