Фамилия Вагайцев — типичный пример «географической» фамилии, указывающей на место, откуда родом её первый носитель. В основе лежит прозвище Вагаец, которое давали жителю бассейна реки Ваги. Это крупный левый приток Северной Двины, протекающий по территории Вологодской и Архангельской областей. Слово «вага» в названии реки, скорее всего, имеет финно-угорские корни и восходит к древнему «важ», что означает «приток». Поэтому Вагайцем могли прозвать человека, жившего на Ваге или переселившегося оттуда.

Есть и вторая, менее распространённая версия. Она связывает прозвище не с рекой, а с конкретным селом — Вагай в Тюменской области. В этом случае фамилия указывает на выходца из этого сибирского поселения. Выбрать одну из версий сложно, но первая — «речная» — выглядит более убедительной: гидронимические прозвища (по названиям рек) встречаются в русской ономастике значительно чаще, чем ойконимические (по названиям сёл).

Сама фамилия образовалась по стандартной для русских фамилий модели: к основе «Вагаец» добавили патронимический суффикс -ев. В говорах и при склонении прозвища «Вагаец» на конце появился звук [й], который на письме обозначается буквой «й» (Вагаец — Вагайца). От формы родительного падежа «Вагайца» и возникла фамилия Вагайцев, то есть буквально «сын Вагайца».