Фамилия Алтыбаева образована от татарского мужского имени Алтынбай, которое, в свою очередь, складывается из двух тюркских основ. Первая часть — «алтын» (золото), вторая — «бай» (господин, богач, хозяин). Таким именем родители наделяли сына как пожелание богатства и достатка в будущем.

Однако существует и другая, менее очевидная версия происхождения. Первая основа «алты» в тюркских языках означает «шесть». В таком случае имя Алтыбай мог получить шестой по счёту ребёнок в семье. Такая модель именования по порядку рождения встречается у многих тюркских народов: например, имена Башкорт (первенец) или Туганбай (родной, младший). Обе версии имеют право на существование, но этимологически более обоснованной считается связь с «алтын» (золото): имя Алтынбай встречается в татарских и башкирских родословных чаще, чем Алтыбай.

Сама фамилия образована по русской модели с помощью суффикса -ев, который присоединяется к основам на мягкий согласный. В данном случае к основе Алтыбай добавляется -ев, и в женском роде появляется окончание -а. Форма Алтыбаева — это женский вариант фамилии, указывающий на принадлежность к роду Алтыбаевых.

Фамилия имеет ярко выраженную региональную привязку. Она распространена в Татарстане, Башкортостане, а также среди казахских и киргизских родов. В Казахстане имя Алтынбай известно как самостоятельное мужское имя, и фамилия Алтыбаева там нередко встречается у представителей рода Кыпшак или Аргын. Это говорит о том, что носители фамилии могут иметь как татарские, так и казахские корни.

Окончательно установить точное время и место возникновения рода Алтыбаевых можно только на основе генеалогических исследований, так как процесс закрепления фамилий у тюркских народов был длительным и неоднородным. Однако ясно одно: фамилия хранит в себе либо пожелание богатства, либо указание на порядок рождения предка — и в том, и в другом случае она тесно связана с семейными ценностями и бытом тюркских народов.