Фамилия Ватрамеев — редкая и неочевидная с точки зрения корня. Её основа — «Ватраме(й)» — не встречается в современных русских именах и не связана напрямую с распространёнными прозвищами. Чтобы понять происхождение, нужно отбросить суффикс -ев (указывающий на принадлежность: «чей?» — Ватрамеев) и посмотреть на само слово.

Наиболее вероятная версия: в основе лежит греческое имя Варфоломей, которое в русской народной традиции давало множество сокращённых и искажённых форм: Варфоломей → Вартома → Ватрам. Подобное стяжение — обычное дело: имя Варфоломей в быту звучало как Вахрамей, Варфоломка, а в диалектах — и как Ватрамей. Фамилия Ватрамеев, таким образом, могла возникнуть от просторечного варианта Ватрамей, где «ф» заменилось на «т» под влиянием местного произношения. Носитель такой фамилии — потомок человека, которого в обиходе звали Ватрамеем (Варфоломеем).

Другая, менее убедительная гипотеза выводит фамилию от диалектного слова «ватра» — так в некоторых говорах (например, в северных и сибирских) называли огонь, очаг, иногда переносно — расторопного или «горячего» человека. Тогда Ватрамей — тот, кто имеет отношение к огню или обладает живым нравом. Однако эта версия слабее: суффикс -ей в русских прозвищах от нарицательных слов редок, и форма «Ватрамей» без дополнительных подтверждений выглядит искусственной.

Географически фамилия Ватрамеев встречается крайне редко, в основном в центральных и северных регионах России, что косвенно поддерживает версию о народной переделке имени Варфоломей — такие искажения были типичны именно для крестьянской среды. Сословно предки, скорее всего, относились к крестьянам или мещанам: фамилии на -ев у духовенства и дворянства обычно образовывались от канонических форм (Варфоломеев), а не от просторечных.

В написании возможна путаница: в старых документах фамилию могли записать как Ватрамеев или Ватрамеевъ, а также спутать с более частыми Варфоломеевыми или Ватрамовыми. Но именно форма с -еев указывает на то, что исходное имя оканчивалось на -ей, а не на твердый согласный.