Фамилия Вахлеев принадлежит к распространённому в России типу фамилий, образованных от полных форм крестильных имён, но с неожиданным поворотом. В основе лежит имя Вахлий — народная, разговорная форма канонического мужского имени Варлаам (в церковной традиции Варлаам, в просторечии Варлам). Переход «р» в «х» в русских говорах — явление нередкое: так Варлам превращался в Вахлама, а уменьшительная форма Вахля давала прозвище Вахлей. От него через притяжательный суффикс -ев (отвечающий на вопрос «чей?») и возникла фамилия Вахлеев, то есть «сын Вахлея».

Имя Варлаам имеет древнееврейские корни и переводится как «сын народа» или «сын Божий». На Руси оно было известно благодаря преподобному Варлааму Хутынскому, новгородскому чудотворцу XII века, и Варлааму Печерскому, игумену Киево-Печерского монастыря. Однако в народе это имя часто переосмысливалось и сокращалось, что и привело к появлению таких форм, как Вахлей. Фамилия Вахлеев таким образом оказывается родственной более известным Варламовым и Варлашкиным, но отличается редкой фонетической чертой.

Морфологически фамилия проста: корень вахл- (от Вахлей), суффикс -ев. Суффикс указывает на то, что фамилия закрепилась в центральных и северных русских землях, где -ев был типичным патронимическим показателем, в отличие от южных регионов с их -енко или западных с -ович. Географически Вахлеевы встречаются в основном в Поволжье, в частности в Нижегородской области и Чувашии, что согласуется с зоной бытования говоров, где «аканье» и замена «р» на «х» были не редкостью.

Версия о связи фамилии с диалектным словом «вахля» — нерасторопный, вялый человек — возможна, но менее вероятна. Во-первых, такие прозвища обычно давали по внешним или поведенческим чертам, а фамилия Вахлеев имеет чёткую патронимическую модель с суффиксом -ев, что типично именно для имён, а не для прозвищ. Во-вторых, имя Вахлий фиксируется в старых документах, например в переписных книгах XVII века, что делает основную версию более обоснованной. Таким образом, предок носителей фамилии Вахлеев, скорее всего, был человеком по имени Вахлей, которое в свою очередь восходит к имени Варлаам.