Фамилия Алтунбаев — один из ярких примеров, как тюркское имя, пройдя через русскую фамильную модель, закрепилось в документах. Её основа — составное тюркское имя или прозвище Алтунбай. Первая часть, «алтун», означает «золото» (в некоторых диалектах — «алтын»). Вторая, «бай», переводится как «господин», «богач», «хозяин». Вместе — «золотой господин» или «золотой богач». Такое имя могли дать как реально зажиточному человеку, так и новорождённому в качестве пожелания богатства и удачи.

Фамилию образовали по стандартной русской схеме с суффиксом -ев. Поскольку имя Алтунбай оканчивалось на -й, при добавлении суффикса этот звук отпал: Алтунбай → Алтунбаев. Буквально фамилия означает «сын Алтунбая» или «из рода Алтунбая». Такая модель типична для фамилий, которые в XIX веке получали татары, башкиры, казахи и другие тюркские народы Российской империи — чаще всего по имени отца.

Географически фамилия тяготеет к регионам с тюркским населением: Татарстан, Башкортостан, Оренбургская область, а также Казахстан. Скорее всего, предки носителя фамилии были из числа служилых татар, башкирских вотчинников или казахов. Имя Алтунбай фиксируется в документах с XVIII века — например, у башкир.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Алтынбаев, Алтунин, Алтынбеков) показывает, что корень «алтун/алтын» — один из самых частых в тюркских фамилиях. Но форма Алтунбаев выделяется архаичным произношением: «алтун», а не более привычное «алтын». Это может указывать на диалектную особенность или более раннее заимствование имени до того, как в языке закрепился вариант «алтын». Споров вокруг происхождения фамилии нет: тюркская основа очевидна, а русский суффикс лишь оформил её по канонам фамильного именования.