Фамилия Алтайбаев — редкий пример, где географическое имя слилось с тюркским титулом. Её основа составная: первая часть «Алтай» отсылает к одноимённой горной системе на юге Сибири, вторая — «бай» в тюркских языках означает «богач», «господин», «хозяин». Таким образом, Алтайбай — это сложное имя-пожелание или прозвище: «богатырь (или хозяин) с Алтая», «алтайский богач». В доисламской и раннемусульманской традиции у тюркских народов такие имена давали мальчикам, желая им богатства и уважения, часто с привязкой к месту рождения или родовой территории.

Суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягких согласных и -й) указывает на русскую модель образования фамилий: «чей?» — «сын Алтайбая». Это типично для фамилий, которые оформились у тюркских народов в составе Российской империи, когда при переписях и паспортизации к имени отца добавляли русский патронимический суффикс. Носители фамилии Алтайбаев — почти поголовно казахи, реже башкиры или татары. Географически фамилия сконцентрирована в Казахстане (особенно в Восточно-Казахстанской области, у подножия Алтая) и в прилегающих регионах России — Республике Алтай, Алтайском крае.

В отличие от фамилий, образованных от чисто арабских или персидских имён (например, Ахметов, Хусаинов), Алтайбаев сохраняет прямую связь с конкретным ландшафтом и тюркской родоплеменной номенклатурой. Встречаются варианты написания Алтайбайев (с сохранением -й в основе) и Алтайбайулы (по казахской патронимической модели «улы» — сын), но в русских документах закрепилась именно форма Алтайбаев.

Спорных версий происхождения практически нет: корень прозрачен, а суффикс стандартен. Единственное, что может вызвать вопрос — не связано ли имя с этнонимом «алтайцы» (народ). Скорее всего, нет: имя Алтайбай встречается и у казахов, не имеющих прямого отношения к алтайцам как к народности; это именно топонимическое имя, популярное в регионе.