Фамилия Вертяевы — одна из тех, что образовались от прозвища, а не от крестильного имени. В её основе лежит древнерусское прозвище Вертяй, которое напрямую связано с глаголом «вертеть». Ономасиологи (исследователи происхождения имён) обычно выделяют два круга значений, которые могло нести такое прозвище.

Первое — характеристика характера или поведения. Вертяем на Руси называли человека непоседливого, юркого, суетливого, того, кто «вертится как волчок». Второе — профессиональное. Глагол «вертеть» имел и конкретные ремесленные оттенки: так могли прозвать токаря, работающего за верстаком, или мастера, который вертит ручную мельницу, точильный камень или прялку. В северных говорах, кстати, «вертяй» — это ещё и название ветреного, непостоянного человека.

Фамилия построена по стандартной модели: к основе Вертяй- добавился патронимический суффикс -ев, указывающий на принадлежность («сын Вертяя»). Форма Вертяевы — это множественное число, обозначающее весь род, всех потомков этого человека.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Вертиев, Вертунов, Вертягин) показывает, что прозвище было нередким, но фамилия Вертяевы встречается заметно реже. Это может говорить о её локальном бытовании — возможно, она закрепилась в какой-то одной местности или даже в одном селе, где жила большая семья Вертяевых. Точных данных о географии этой фамилии в открытых источниках мало, но можно предположить, что её корни лежат в центральных или северных областях России, где были сильны традиции прозвищ от глаголов действия.

Несмотря на то, что процесс формирования русских фамилий шёл несколько столетий (в основном с XVI по XVIII век), фамилия Вертяев — не случайный набор звуков, а живой след того, как в языке закреплялась характеристика человека.