Фамилия Воденеев образована от прозвища или имени Воденей. Основа здесь — корень «вод-», который в русских говорах мог относиться не только к воде как стихии, но и к человеку, связанному с водой: водовозу, рыбаку, лодочнику или тому, кто жил у реки. Суффикс «-еев» указывает на патронимическую модель: Воденеев — это «сын Воденея». Формант «-еев» (а не более частый «-ов») типичен для фамилий, образованных от основ на мягкий согласный или -й: Воденей дал Воденеева.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с диалектным словом «воденя» (водяной, нечистая сила) или с именем Воден, которое в древнерусской традиции могло быть охранительным: чтобы злые духи не тронули ребёнка, его называли «водяным», то есть чужим для них. Однако в ономастике такая гипотеза считается слабой, поскольку прозвища от нечистой силы в русской среде редки и чаще относятся к людям со странным поведением, а не к прямым именам.

Географически фамилия Воденеев тяготеет к северным и центральным регионам России — Вологодской, Архангельской, Костромской областям. В этих краях реки и озёра играли ключевую роль в хозяйстве, и прозвище Воденей мог получить человек, чья жизнь была неразрывно связана с водой: перевозчик, мельник, рыбак. Встречаются и варианты написания — Воденеев и Воденеев (с одной «е»), что связано с разной фиксацией в документах XIX века, когда фамилии записывали на слух.

В словообразовательном плане Воденеев стоит в одном ряду с фамилиями Воденников, Водянов, Водопьянов, но отличается более редким суффиксом. Если Водянов прямо указывает на свойство («водяной»), а Водопьянов — на привычку пить воду, то Воденеев отсылает к конкретному лицу по прозвищу, что делает фамилию более «личной» и менее описательной. Носители фамилии, вероятно, происходят от одного общего предка, а не от разных людей с одинаковым занятием.