Фамилия Алтыбай необычна для русского уха, но её происхождение прозрачно. Она образована от тюркского мужского имени Алтыбай, которое состоит из двух частей: «алты» (шесть) и «бай» (богатый, хозяин, господин). В буквальном смысле Алтыбай — «шесть раз богатый» или «обладающий шестью богатствами». В кочевых тюркских культурах число шесть имело сакральное значение, а компонент «бай» был одним из самых распространённых в именах, указывая на достаток, знатность или пожелание благополучия.

Словообразовательная модель здесь простая: фамилия совпадает с исходным именем без добавления русских суффиксов -ов, -ев или -ин. Такие фамилии-«чистые основы» — характерная черта для фамилий тюркского происхождения, которые фиксировались в документах в первоначальной форме, особенно в южных и восточных регионах Российской империи (Оренбуржье, Поволжье, Сибирь, Казахстан). Это говорит о том, что предок носителя фамилии, скорее всего, не был крепостным крестьянином центральной России, а принадлежал к тюркоязычным народам — башкирам, татарам, казахам или ногайцам.

С точки зрения сословной истории, фамилия Алтыбай могла принадлежать как зажиточному скотоводу или старшине рода (баю), так и простому общиннику. В XVIII–XIX веках многие тюркские имена, содержащие «бай», при переписях записывались как фамилии без изменений. В отличие от русских крестьянских фамилий, которые часто образовывались от прозвищ или ремесла, здесь мы видим прямой перенос личного имени.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Алтыбай стоит в одном ряду с Алтынбаевым (где «алтын» — золото) или Алтышевым. Отличие в том, что фамилия Алтыбай не получила русифицирующего суффикса, что делает её более архаичной и указывает на регион, где русская администрация не настаивала на переделке имён в стандартные патронимы.

Встречается фамилия редко, преимущественно в Башкортостане, Татарстане, Оренбургской и Челябинской областях, а также среди казахской диаспоры. В дореволюционных метрических книгах и ревизских сказках её можно найти в записях о башкирах и тептярях. Спорных версий происхождения у фамилии нет — тюркская основа очевидна, а попытки связать её с каким-либо славянским корнем лишены лингвистического смысла.