Фамилия Алтайбаева образована по самой распространённой в тюркских языках модели — от мужского имени с добавлением аффикса принадлежности. Основа здесь — составное мужское имя Алтайбай. Первая часть, «Алтай», — это название горной системы на юге Сибири, в тюркской традиции слово означает «золото», «золотая гора». Вторая часть, «бай», в переводе с древнетюркского — «богатый», «господин», «хозяин». В дореволюционной Башкирии, Казахстане и у татар «бай» было не просто именем, а указанием на состоятельность человека или его рода. Таким образом, Алтайбай — это «богатый, как Алтай», или «золотой богач». Имя давали с пожеланием мальчику крепкого здоровья, достатка и прочного положения, сравнимого с несокрушимостью гор.

Фамилия оформлена по русскому патронимическому образцу: к основе «Алтайбаев» добавлен типичный русский суффикс -а, указывающий на женскую линию. В русской среде фамилии на -а/-я от тюркских основ стали давать женщинам по отцу: Алтайбаева — «дочь (или жена) Алтайбая». Мужской вариант — Алтайбаев. Такое словообразование характерно для народов, долгое время живших в составе Российской империи: казахов, башкир, татар, ногайцев. Фамилия фиксируется преимущественно в Башкортостане, Оренбургской и Челябинской областях — в зоне расселения южных башкир и зауральских казахов.

В отличие от фамилий, образованных от названий профессий или прозвищ, Алтайбаева напрямую восходит к личному имени. Никакого другого значения, кроме «принадлежащая роду Алтайбая», у неё нет. Встречающаяся изредка версия о связи с тюркским словом «алтын» (золото) фонетически неверна: «Алтай» и «алтын» — разные корни, хотя оба восходят к понятию ценности. Фамилия не имеет отношения к географическому названию как таковому — она не указывает на место жительства, а лишь на имя родоначальника.

По социальному происхождению носители фамилии относились к башкирским или казахским родам, среди которых имя Алтайбай было распространено у скотоводов и воинов. В советское время фамилия стала массовой, но не частотной — её редкость объясняется тем, что имя Алтайбай не входило в число самых популярных, в отличие от простых «байских» имён вроде Баймурат или Байбулат. Сейчас Алтайбаева встречается не только в республиках, но и в русскоязычных регионах благодаря миграции, однако сохраняет чёткую этническую привязку.