Фамилия Витровая — редкий пример, где женская форма закрепилась в качестве фамильного имени. В большинстве случаев фамилии на -ов, -ин, -ский склоняются по мужскому и женскому роду: Витров и Витрова. Форма Витровая — это полное прилагательное, которое могло закрепиться за женщиной в документах XIX века, когда женские фамилии нередко записывали в такой форме, особенно в южнорусских и украинских губерниях. Но есть и другая версия: фамилия могла возникнуть у целой семьи, где прозвище главы дома — Витровой — передалось всем домочадцам в неизменном виде, как это бывает с фамилиями на -ой (Толстой, Благовещенский).

Основа фамилии — «ветер». Витровой — человек, имеющий отношение к ветру. Это могло быть прозвище: ветреного, непостоянного человека; того, кто живет на открытом, продуваемом месте; или же работника, чья профессия связана с ветром — например, мельника на ветряной мельнице. На Русском Севере «витром» называли не только воздушный поток, но и болезнь (простуду), так что прозвище могло указывать на часто болеющего человека.

С точки зрения словообразования, суффикс -ов- в форме Витровой указывает на принадлежность: Витровой — сын Ветра, то есть человек, чей отец носил прозвище Ветер. Форма Витровая — это притяжательное прилагательное женского рода, которое со временем утратило связь с родом и стало фамилией. Встречаются и однокоренные фамилии: Ветров, Ветровский, Ветряной, но Витровая стоит особняком из-за редкого окончания.

География фамилии неширокая: чаще всего Витровые встречаются в центральных и южных регионах России, а также на Украине, где полные прилагательные в фамилиях — обычное дело. В документах XIX века эта фамилия могла писаться как Витровая, Витровой или даже Ветровая — путаница с буквой «е» и «и» в корне типична для говоров, где «ветер» произносили как «витер».