Potrebbe derivare da un soprannome originato dalla fusione del termine mastro, "artigiano", e del nome Leo, sia come nome a se stante sia come possibile troncamento di nomi come Leone o Leonardo.
Tracce di questa cognominizzazione si trovano nel leccese nel 1600 con Don Francesco Antonio Mastroleo (1624-1709) che fu arciprete di Alliste. Personaggio di rilievo è stato il pittore Giuseppe Mastroleo napoletano che ha operato tra la fine del 1600 e la prima metà del 1700.
Il cognome Mastroleo è tipicamente pugliese, con un ceppo nel barese ed uno nel leccese, ed un ceppo napoletano che risale almeno alla seconda metà del 1600.
Il cognome Mastroleo è 2034° nella regione Puglia Il cognome Mastroleo è 737° nella provincia di Lecce Il cognome Mastroleo è 27° nel comune di ANDRANO (LE)