Фамилия Атанбаев построена по типичной для тюркских народов, вошедших в состав Российской империи, модели: личное имя плюс русский патронимический суффикс. В основе лежит составное имя Атанбай, которое до сих пор бытует у башкир, татар, казахов и киргизов. Первая часть — «атан» (в тюркских языках — «верблюд-самец», «производитель»), вторая — «бай» («господин», «богатый», «хозяин»). В кочевой культуре верблюд был мерой богатства и символом выносливости, поэтому имя Атанбай служило благопожеланием: его давали с надеждой, что мальчик вырастет крепким, как верблюд, или станет богатым скотомладельцем. Суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягких согласных) превратил имя в фамилию по принципу «чей?» — Атанбаев, то есть «сын Атанбая». Этот способ стал стандартным в XIX–XX веках, когда тюркские общины переходили на русское делопроизводство: чиновник записывал отца как Атанбай, а сыну давал фамилию по отцу.

Географически Атанбаевы сосредоточены в Башкортостане, Татарстане, Оренбургской и Челябинской областях. В Казахстане фамилия встречается, но чаще в исходной форме — Атанбай, без русского окончания. В дореволюционных документах можно найти написание «Атанбаевъ» с твёрдым знаком, а после орфографической реформы 1918 года оно исчезло. Основная масса носителей — потомки оседлых или полуоседлых тюркских крестьян, получивших фамилию при первых переписях или введении паспортной системы. Фамилия не дворянская и не принадлежит к какому-то одному сословию — она указывает скорее на социальный слой: общины, принявшие русскую фамильную норму, но сохранившие тюркское имя в основе.

Однокоренные фамилии — Атангулов, Атанов, Атанбай (без суффикса) — восходят к тем же именам с корнем «атан». Но Атанбаев стоит особняком: в ней прозрачно читается имя-пожелание, которое не утратило связи с исходным значением. Сегодня это редкая, но не исчезающая фамилия, и её носители могут с уверенностью сказать, что их предок когда-то носил гордое имя «верблюжий хозяин».