Фамилия Витяевы принадлежит к распространённому типу русских фамилий, образованных от имени собственного. Её основа — имя Витяй, которое, скорее всего, является производной (уменьшительной или обиходной) формой крестильного имени Виталий. Само имя Виталий восходит к позднелатинскому Vitalis — «жизненный, полный жизни». Впрочем, у происхождения есть и вторая версия: имя Витяй могли использовать как форму имени Виктор (от латинского victor — «победитель»). Какая из них верна для конкретной семьи, теперь уже не установить, но обе правдоподобны и укладываются в народную традицию переделывать длинные церковные имена в короткие бытовые.

Модель образования простая: к основе Витяй добавили типичный русский фамильный суффикс -ев (вариант -ов после мягкого согласного). Так появилась фамилия, отвечающая на вопрос «чей?» — то есть сын или потомок Витяя. Эта словообразовательная схема — одна из самых массовых в России, и Витяевы стоят в одном ряду с тысячами других «патронимических» фамилий.

О точном месте и времени возникновения фамилии говорить сложно: процесс становления фамилий на Руси был долгим и неравномерным. Однако можно предположить, что Витяевы — сравнительно редкая фамилия (в отличие от массовых Витальевых или Викторовых), что говорит о локальном бытовании исходного имени Витяй. Среди известных носителей — Евгений Евгеньевич Витяев, доктор физико-математических наук.

В отличие от многих фамилий, где основа очевидна, Витяев интересен двойной этимологической загадкой: он мог «вырасти» из двух разных имён — Виталий и Виктор. Такие случаи напоминают, что народная ономастика не всегда следует строгой логике, и за одной фамилией порой стоит не одна, а несколько историй.