Фамилия Зеленяева — одна из тех, что хранит в себе образ, а не имя или профессию. В её основе лежит прилагательное или прозвище «Зеленяй», которое в народной речи могло относиться к человеку с определённым цветом глаз, волос или кожи — например, к тому, кого называли «зеленоглазым» или «бледным, зеленоватым лицом». Однако у этого корня есть и другая, более прозаичная версия: в некоторых говорах «зеленя» означало молодые всходы, озимь, а «зеленяй» — крестьянина, занимавшегося озимыми посевами или владельца зелёных полей. Таким образом, предок носителя фамилии мог быть земледельцем, чьё прозвище привязалось к его участку или роду занятий.

Модель образования типична для русских фамилий: суффикс -ев присоединился к основе «Зеленяй» (форма родительного падежа — «Зеленяя»), что дало «Зеленяев», а затем и женский вариант «Зеленяева». Суффикс -ев указывает на принадлежность: буквально «сын Зеленяя». В отличие от фамилий на -ин (от основ на -а/-я), здесь работает правило: если основа оканчивается на -й, то притяжательная форма даёт -ев. Это ставит Зеленяевых в один ряд с такими фамилиями, как Алексеев или Сергеев, но с прозвищным, а не крестильным корнем.

Географически фамилия нечастотна, но встречается в центральных и южных регионах России, особенно в бывших Черноземье и Поволжье — там, где озимые культуры были основой хозяйства. В дореволюционных переписях Зеленяевы фиксировались как крестьяне и мещане, без следов дворянского сословия. Это подтверждает бытовое, а не аристократическое происхождение прозвища.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Зеленцов, Зеленкин, Зеленский — показывает, что Зеленяева стоит особняком. У неё нет уменьшительно-ласкательного суффикса (-ец, -к-) или географической привязки (-ский). Это прямое прозвище, которое не смягчали и не «облагораживали» при записи. Если Зеленцов мог быть прозван за «зеленца» (незрелый плод или молодой человек), то Зеленяй — более конкретный образ: либо внешность, либо поле.

В словаре русских фамилий Б. Унбегауна подобные модели описаны как «прозвища от прилагательных, перешедшие в фамилии без промежуточных форм». Споров о происхождении здесь мало: версия с цветом и версия с посевами не противоречат друг другу, но первая — универсальнее (цвет лица бросался в глаза чаще, чем род занятий). Впрочем, для сельской местности XIX века оба варианта равновероятны: крестьянина могли прозвать и за бледность, и за то, что он «зеленя» — хозяин озимого клина.