Фамилия Витяев образована от личного имени Витяй. Чаще всего так в быту называли человека, носившего крестильное имя Виталий. В основе этого имени лежит позднелатинское слово vitalis — «жизненный», «полный жизни». Следовательно, первым носителем фамилии мог быть потомок человека по имени Виталий, которого в семье или среди соседей звали сокращённо Витяй.

Реже за именем Витяй видят форму другого распространённого имени — Виктор. В переводе с латыни victor означает «победитель». Обе версии лингвистически допустимы: имя Витяй могло возникнуть как уменьшительное и к Виталию, и к Виктору, а суффикс -ев в фамилии — стандартный русский патронимический показатель, отвечающий на вопрос «чей?» (чей сын? — Витяев).

С точки зрения словообразовательной модели фамилия Витяев вписывается в ряд русских фамилий на -ев, образованных от имён, оканчивающихся на -ай, -ей, -яй: Андреев, Матвеев, Тимофеев. Здесь основа Витя- и суффикс принадлежности -ев.

Географически фамилия встречается в разных регионах России без резкой концентрации в одной области, что характерно для фамилий, произошедших от распространённых крестильных имён. Среди носителей — Евгений Евгеньевич Витяев, доктор физико-математических наук, что подтверждает: фамилия не связана с каким-то одним сословием или родом занятий.