Фамилия Вагайцева — женская форма от фамилии Вагайцев, а та, в свою очередь, образована от прозвища Вагаец. В основе прозвища лежит название реки Вагай — левого притока Иртыша на юге Западно-Сибирской равнины. Долина Вагая заселена густо, хотя крупных городов там нет; в устье реки, в так называемой Ермаковой заводи, по преданию, погиб Ермак. В пяти километрах от места, где Вагай впадает в Иртыш, стоит посёлок Вагай — районный центр.

Сам гидроним Вагай, скорее всего, финно-угорского происхождения: от корня «важ» — «приток». Есть и народная этимология: будто бы на берегу жили два брата, Вай и Гай, промышлявшие рыбой и пушниной, — отсюда и пошло название. Какую бы из версий ни считать верной, ясно одно: основатель рода Вагайцевых получил прозвище Вагаец по месту жительства — на берегу реки Вагай. Со временем прозвище закрепилось как фамилия, и потомки человека по прозвищу Вагаец стали Вагайцевыми.

Фамилия эта — редкая по словообразовательной модели. Суффикс -ец в основе (Вага-ец) типичен для прозвищ, указывающих на выходца с определённой территории, а вот суффикс -ев в окончании (Вагайц-ев) встречается реже, чем привычные -ов или -ин. Такая модель характерна для северных и сибирских говоров, что косвенно подтверждает географическую привязку фамилии к Западной Сибири.