Фамилия Вачаев образована от прозвища Вачай. В основе этого прозвища, скорее всего, лежит топоним Вача — так называется посёлок городского типа в Нижегородской области, а также населённый пункт в Карелии и река в Иркутской области. Вачаем могли называть выходца из одного из этих мест. Такая модель образования фамилии — от названия местности через прозвище — типична для русской ономастики.

Сам топоним Вача имеет несколько версий происхождения. По одной из них, слово восходит к эрзянскому «вачо» — «голодный». Другие исследователи связывают его с марийским «ваче» («плечо»), удмуртским «воч» («дикая утка») или хантским «вач, воч» («город»). В русских говорах вачем также называют болотный аир. Какая из версий верна для конкретной местности, сказать сложно, но все они указывают на финно-угорское или тюркское происхождение корня, что неудивительно для географических названий Поволжья и севера европейской части России.

Фамилия Вачаев образована по стандартной русской модели: к основе Вачай добавился притяжательный суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей сын?» — Вачаев). Это одна из самых распространённых моделей для русских фамилий, особенно тех, что произошли от прозвищ или имён, оканчивающихся на мягкий согласный или -й. Суффикс -ев в этом случае выполняет ту же роль, что и более частотный -ов.