Фамилия Вертеева — это женская форма, но разговор обычно начинают с мужского варианта, Вертеев. Он образован по стандартной русской модели от прозвища или имени Вертей. Суффикс -ев указывает на принадлежность: «сын Вертея». Сама основа — глагол «вертеть» в повелительном наклонении, то есть «верти». Такие прозвища в старину давали непоседливым, подвижным людям, тем, кто «вертится» без дела или, наоборот, постоянно занят, суетится. В словаре русских фамилий Б. Унбегауна подобные формы (Верти, Вертипрах, Вертиголов) отнесены к «глагольным» прозвищам, которые описывали характер или поведение человека.

Есть и вторая, менее очевидная версия. В некоторых говорах «вертеем» называли не просто вертлявого человека, а того, кто занимался определённым ремеслом — например, точильщика или токаря, работающего на ручном станке. В этом случае прозвище указывало на профессию, а не на характер. Учитывая, что фамилия встречается в основном в центральных и южных регионах России (Воронежская, Тамбовская, Ростовская области), где токарное дело было распространено, профессиональное происхождение выглядит не менее правдоподобно.

Фамилия сравнительно редкая. Встречается вариант Вертеева с ударением на второй слог (ВертЕев) и на первый (ВЕртеев). Второй вариант может быть связан с диалектным произношением или искажением при записи в документах. В любом случае, корень один — «верт». К этой же группе относятся фамилии Вертяев, Вертиков, Вертипорох, но Вертеев выделяется краткостью и прямым указанием на действие.

Сословно фамилия не была закреплена за дворянством. Носители Вертеевы — в основном крестьяне и мещане. В ревизских сказках XIX века встречаются записи о крестьянах Вертеевых в Тамбовской губернии, что подтверждает её простонародное происхождение. Так что предки современного носителя фамилии, скорее всего, были либо непоседливыми работягами, либо умелыми ремесленниками, работавшими с деревом или металлом.