Фамилия Вахрамеева образована от отчества, которое, в свою очередь, произошло от просторечной формы канонического имени Варфоломей. В древнерусском языке и народной речи это имя, пришедшее из греческого (Βαρθολομαῖος — «сын пахотной земли» или «сын полей»), дало множество обиходных вариантов: Варфоломей, Фоломей, Оломей и, наконец, Вахромей. Именно последняя, сильно изменённая форма и стала основой фамилии.

С точки зрения словообразования, суффикс -ев (в женском роде -ева) указывает на принадлежность: Вахрамеева — это «дочь (или жена) Вахрамея», где Вахрамей — народный вариант имени Варфоломей. Чередование «х» и «ф» в корне (Вахромей вместо Варфоломей) — типичная черта восточнославянской фонетики, когда непривычный звук «ф» заменялся более близким «хв» или просто «х».

В дореволюционной России крестьянские и купеческие фамилии на -ев и -ов часто фиксировали ту форму имени, которую человек носил в быту, а не в церковной записи. Поэтому Вахрамеева — фамилия, рассказывающая о том, что её носительницу или её предка в повседневной жизни звали не Варфоломеем, а Вахромеем. Это не редкость: точно так же из того же источника возникли фамилии Варфоломеев, Фоломеев и более редкий вариант Вахромов.

Среди однокоренных фамилий Вахрамеева стоит отличать от похожей по звучанию, но другой по происхождению фамилии Вахрамеев (с ударением на второй слог), которая может быть связана с тюркским словом «вахрам» — «радость, веселье». Однако для фамилии с окончанием -еева (женская форма от Вахрамеев) и корнем Вахрам- этимологическая связь с именем Варфоломей остаётся основной и наиболее убедительной версией.

Встречается фамилия в разных регионах России, но чаще — в центральных областях и Поволжье, где имя Варфоломей в народных формах было особенно популярно в XVI–XVII веках.