Фамилия Тортаев — одна из тех, где ясна словообразовательная модель, но неочевидна исходная основа. Суффикс -ев указывает на принадлежность: Тортаев буквально означает «сын Торта́я» или «человек из рода Торта́я». Само прозвище Торта́й, скорее всего, тюркского происхождения, и здесь есть как минимум две версии.

Первая и наиболее вероятная отсылает к древнетюркскому корню «торт» — «четыре». В тюркской антропонимии числительные нередко становились именами: так, имя Тортай могло означать «четвертый ребенок» в семье. Вторая версия связывает Торта́й с диалектным тюркским словом «торт» — «прямой, ровный» (в переносном смысле — «честный»). В башкирском и татарском языках есть схожие по звучанию лексемы, так что географически фамилия тяготеет к Волго-Уральскому региону, к среде татар, башкир или чувашей.

Фамилия редкая, и её ареал — скорее всего, Оренбургская область, Башкортостан или Татарстан. Сословный состав предков мог быть разным: от крестьян до служилых татар (мурз), но без конкретных генеалогических записей утверждать что-либо трудно. Интересно, что при переходе в русскую письменность ударение могло сместиться: в тюркском оригинале оно, вероятно, падало на последний слог (Торта́й), а в фамилии закрепилось на первом (То́ртаев).

Однокоренные фамилии — Тортов, Тортин, Тортяков — встречаются ещё реже, и их связь с Тортаевым неочевидна: у них может быть совсем другая основа, например, от русского «торт» (заимствование из итальянского) или от диалектного «торт» — «медлительный человек». Так что Тортаев стоит особняком, и его тюркский след — самая надёжная зацепка для поиска корней.