Фамилия Тонаев принадлежит к распространённому типу русских фамилий, образованных от полных форм крестильных имён. Её основа — имя Тонай, которое является просторечной, обиходной формой канонического имени Антоний (в современном звучании — Антон). В русской народной среде имя Антон часто сокращали и переиначивали: Антоня, Тоня, Тона. Суффикс -ай в таких формах (Тонай) типичен для северных и сибирских говоров, где он придавал имени оттенок ласкательности или, наоборот, фамильярности.

Фамилию образовали по стандартной модели: к основе Тонай добавили патронимический суффикс -ев. Получается, что Тонаев — это «сын Тонаев» или «потомок Тона», то есть Антона. Судя по суффиксу, фамилия закрепилась в среде, где имя склонялось по типу существительных мужского рода на -й (Тонай — Тоная), а не на -а (Тоня — Тони). Это указывает на то, что исходное прозвище или имя бытовало в форме именно Тонай, а не Тоня.

Встречается и альтернативная, менее вероятная версия: связь с тюркским словом «тон» (шуба, одежда) или «тону» (замерзать). Но для русской фамилии Тонаев такое объяснение выглядит натянутым — в тюркских языках суффикс -ай обычно образует имена от глаголов (например, Тонай — «замерзающий»?), а не фамилии с русским суффиксом -ев. Кроме того, географически фамилия встречается преимущественно в центральных и северных областях России, где тюркское влияние минимально. Поэтому версия с производным от Антона остаётся основной.

С точки зрения социального контекста, Тонаевы — это, скорее всего, потомки крестьян или посадских людей, а не дворян. Фамилии на -ев от уменьшительных форм имён в XVI–XVII веках массово возникали в среде свободного сельского населения и мещан. Сословный статус предков был невысок, но фамилия сохранила живую народную форму имени, которая в официальных документах почти не встречается.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями (Тонин, Антонов, Антошин), Тонаев стоит особняком: он не использует стандартный патроним «Антонов» и не сохраняет начальное «Ан-». Это редкий случай, когда исходное имя «потеряло» первый слог и часть корня, но при этом не перешло в разряд прозвищных фамилий (как, например, Тонькин). Фамилия Тонаев — пример того, как разговорная речь «отсекала» лишнее, оставляя только узнаваемый скелет имени, который потом застыл в официальной записи.