Фамилия Алтунбаев — яркий пример тюркского наследия в русских фамилиях. Её основа, скорее всего, восходит к тюркскому слову «алтун» (золото). Вторая часть, «бай», в тюркских языках означает «господин», «богач», «хозяин». Таким образом, в основе фамилии лежит составное имя или прозвище Алтунбай — «золотой богач» или «золотой господин». Такое имя могли дать человеку либо в прямом смысле (зажиточному, удачливому), либо как пожелание богатства и процветания.

Фамилия образована по русской модели с помощью суффикса -ев, который присоединяется к основам на согласный или -й. В данном случае суффикс заменил конечный -й в имени Алтунбай: Алтунбай → Алтунбаев. Такая схема типична для фамилий, возникших в среде татар, башкир, казахов и других тюркских народов, вошедших в состав Российской империи. Фамилия означает «сын Алтунбая» или «принадлежащий Алтунбаю».

Географически фамилия Алтунбаев распространена в регионах с тюркским населением: в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской области, а также в Казахстане. Скорее всего, предки носителя фамилии были из числа служилых татар, башкир или казахов, которые в XIX веке получали фамилии по имени отца. Интересно, что имя Алтунбай встречается и в старых документах — например, у башкир оно фиксируется с XVIII века.

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