Фамилия Водолиев — один из тех редких случаев, когда профессиональное прозвище сохранилось почти без изменений, перейдя в наследственное именование. В её основе лежит слово «водолей» — так в южных и центральных губерниях России называли человека, который подносил воду: на стройке, в кузнице, в бане или на постоялом дворе. Это не было ремеслом в полном смысле слова, скорее сезонной или подсобной работой, но именно она закрепилась за предком как прозвище.

Модель образования типична для русских фамилий, но с нюансом. Суффикс -ев (а не -ов) указывает на основу, оканчивающуюся на мягкий согласный «й»: Водолей → Водолиев. Буква «и» в корне вместо ожидаемого «е» («Водолеев») — следствие акающего произношения, характерного для южнорусских говоров. В документах XVII–XVIII веков можно встретить и форму «Водолеев», но со временем закрепился именно «Водолиев» как более народный, просторечный вариант.

Интересно, что фамилия почти не встречается за пределами России. В отличие от Водолазовых или Водопроводчиковых, она не ушла в украинские или белорусские земли. Географически Водолиевы рассеяны, но заметное число носителей фиксируется в Воронежской и Ростовской областях — как раз там, где в XIX веке была развита речная торговля и строительство на Дону. Водолиев мог быть не просто водоносом, а человеком, обслуживающим водные переправы или баржи.

В словаре русских фамилий Б. Унбегауна Водолиев не упоминается, но однокоренные фамилии (Водолей, Водолеев) встречаются в реестрах казачьих войск. Это намекает на то, что прозвище могло бытовать в среде донских казаков, где «водоливом» иногда называли матроса, отвечающего за откачку воды из трюма. Впрочем, версия с «водоносом» более вероятна — она проще и распространённее.