Самый вероятный источник фамилии Сытаева — прозвище Сытай. В русских говорах «сытый» означало не только «наевшийся», но и «зажиточный», «богатый», «обеспеченный». Прозвище Сытай могли дать человеку состоятельному, не знающему нужды, или, напротив, в насмешку — бедняку, который мечтал о сытой жизни. Встречается и другая, менее распространённая версия: в некоторых диалектах «сытай» — это тот, кто готовит сыту, то есть медовый взвар или подслащённую воду. Тогда предок мог быть пасечником или торговцем медовыми напитками.

Фамилия образована по стандартной для русской ономастики модели: к основе прозвища Сытай добавили суффикс принадлежности -ев. Вопрос «чей?» — Сытаев, то есть сын или потомок Сытая. Окончание -а в современном написании указывает на женскую форму фамилии, но исторически фамилия закрепилась за родом в мужском варианте Сытаев. В говорах встречается параллельная форма с суффиксом -ов — Сытаов, но она редкая и почти вытеснена литературным вариантом.

Географически фамилия тяготеет к центральным и южнорусским областям. Чаще всего Сытаевы встречаются в Воронежской, Тамбовской, Рязанской губерниях — регионах, где было развито пасечное хозяйство и где слово «сыта» было в ходу. В документах XVII–XVIII веков попадаются крестьяне и однодворцы с этой фамилией, что говорит о её давнем бытовании в непривилегированных слоях. Дворянских родов Сытаевых в истории не зафиксировано.

Среди однокоренных фамилий — Сытов, Сытиков, Сытин. Разница в суффиксах отражает разные диалектные формы одного корня. Если Сытов — от прилагательного «сытый», то Сытаев — именно от прозвища Сытай, что делает её более «прозвищной» по происхождению. В современном языке фамилия встречается нечасто, но не является исчезающей.