Фамилия Витальев образована от мужского крестильного имени Виталий, которое пришло из греческого языка. В переводе Виталий означает «жизненный» или «живущий» — от греческого «виталис», родственного латинскому «vita» (жизнь). Основа имени прозрачна, а вот суффиксальная модель заслуживает отдельного разговора.

В русской фамильной системе фамилии на -ев обычно возникали от основ, оканчивающихся на мягкий согласный или «й». Имя Виталий даёт основу Виталиj-, поэтому закономерным стало окончание -ев, а не -ов. Такая модель типична для имён с мягким финальным элементом: сравните с фамилиями Васильев, Анатольев, Геннадьев. Таким образом, Витальев — потомок человека по имени Виталий, и фамилия закрепилась в той форме, которую диктовала фонетика.

Интересно, что фамилия Витальев встречается реже, чем, скажем, Виталин или Витальский. Это говорит о том, что она не была массовой и могла бытовать в определённых регионах или среди конкретных социальных слоёв. В дореволюционной России фамилии на -ев от крестильных имён часто получали крестьяне и мещане, но точных данных о сословной принадлежности носителей Витальева нет — ономастические справочники (например, работы Б. Унбегауна) фиксируют лишь общую модель.

Встречаются также варианты написания — Виталиев, с двумя «и», но это уже вторичная форма, возникшая под влиянием церковнославянского произношения имени. Витальев же — более народный, «обрусевший» вариант, где ударение падает на второй слог: Вита́льев. Эта особенность отличает фамилию от редких однокоренных образований и подчёркивает её происхождение от живого разговорного имени.