Фамилия Толтаев — редкая, её не встретишь в массовых списках, а это значит, что её происхождение почти наверняка привязано к конкретному региону или даже к одному роду. Основа здесь — имя или прозвище Толтай. Суффикс -ев указывает на русскую модель образования от тюркского корня: так оформляли фамилии в среде крещёных татар, башкир или других народов Поволжья и Приуралья.

Само имя Толтай — сложное. Первая часть, «тол», в тюркских языках может означать «полный», «сытый», «обильный» или «вдова» (в зависимости от диалекта). Вторая часть, «тай» — распространённый компонент имён, означающий «жеребёнок» или выступающий как ласкательный суффикс. Таким образом, Толтай могло быть именем-пожеланием «будь богатым, как полный табун» или прозвищем человека, которого сравнивали с сытым, крепким жеребёнком. Есть и другая версия: имя могло восходить к арабскому «Талхат» (Talhat) — «красота», «прелесть», которое в тюркской среде сократилось и переосмыслилось.

Вероятнее всего, предок носителя фамилии Толтаев был крещёным татарином или башкиром, получившим фамилию по имени отца. Географически такие фамилии чаще всего встречаются в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской и Челябинской областях. Фамилия не имеет отношения к дворянским или купеческим родам — это типичная «патронимическая» фамилия, которая закрепилась за крестьянскими или казачьими семьями. Сословной истории у неё, скорее всего, нет: она осталась в документах сельских советов и метрических книг.