Фамилия Вагаев происходит от прозвища или нецерковного имени Вагай. Основа фамилии — тюркское слово «вагай» или «багай», которое в ряде тюркских языков (татарском, башкирском, казахском) означает «богатырь», «силач», «крепкий человек». В этом случае прозвище давали физически сильному, выносливому мужчине. Менее вероятна, но возможна связь с топонимом — рекой Вагай в Тюменской области, притоком Иртыша. Если предок жил на этой реке, его могли прозвать по месту жительства.

Модель образования типична для русских фамилий XVI–XVII веков: суффикс -ев присоединялся к основе, оканчивающейся на согласный (Вагай → Вагаев). Такая форма указывает на принадлежность роду: «чей?» — «Вагаев», то есть сын или потомок Вагая. В отличие от фамилий с суффиксом -ин, которые образуются от основ на -а/-я, здесь мы видим именно -ев, что подтверждает тюркское происхождение исходного прозвища.

Географически фамилия Вагаев распространена в Поволжье, особенно в Татарстане, Башкортостане и Оренбургской области. Это объясняется историческим соседством и смешением русского и тюркского населения в этих краях. Встречается она и среди сибирских татар — в Тюменской и Омской областях, что косвенно поддерживает версию о топонимическом происхождении.

В дореволюционных документах фамилия фиксируется в основном за крестьянами и мещанами. Дворянских родов Вагаевых в «Бархатной книге» или «Общем гербовнике» нет, что говорит о её «народном» происхождении. Часть носителей фамилии могли быть крещёными татарами или башкирами, принявшими русскую фамильную модель.

Известных исторических личностей с этой фамилией в общероссийской истории не зафиксировано — это типичная фамилия рядовых сословий, сохранившаяся до наших дней в основном в тех же регионах, где возникла.