Può derivare dal nome medioevale Diotallevio, nome dato sia a trovatelli che a neonati particolarmente indigenti o malaticci.
Tracce dell'uso di questo nome si hanno ad esempio a Spoleto nel 1400 con un pittore non particolarmente famoso di nome Diotallevio D'Antonio. Nel 1500 si trovano i Diotallevi con il rango di marchesi nel riminese e verso la fine del 1500 il marchese Diotalevo Diotalevi diviene signore di alcuni territori in Istria.
Il cognome Diotallevi è tipico delle Marche settentrionali, presenta un ceppo anche in Umbria e nel Lazio.
Il cognome Diotallevi è 344° nella regione Marche Il cognome Diotallevi è 79° nella provincia di Pesaro E Urbino Il cognome Diotallevi è 11° nel comune di CARTOCETO (PU)