Фамилия Атарбаев — классический пример тюркской родовой фамилии, образованной по модели «имя + -ев». В основе лежит личное имя Атарбай (его фонетический вариант — Отарбай). Слово «атар» (или «отар») имеет в крымско-татарском языке два близких значения: «отара» (большое стадо) и «пастбище», а также «хутор». Вторая часть имени — «бай» — означает «богатый господин, хозяин». Сложенное вместе имя Атарбай буквально переводится как «хозяин пастбища» или «владелец большого стада».

Давая сыну такое имя, родители вкладывали в него пожелание будущего достатка и хозяйского положения. Со временем имя закрепилось как родовое прозвание, а русский суффикс -ев (характерный для фамилий, образованных от основ на -й) превратил его в фамилию Атарбаев. Стоит заметить, что в отличие от многих тюркских фамилий, сохранивших показатель -оглы («сын такого-то»), здесь используется именно русская патронимическая модель — это указывает на давнюю интеграцию носителей фамилии в русскоязычную среду, скорее всего, в период после присоединения Крыма к Российской империи.

Встречается фамилия преимущественно среди крымских татар и в среде народов Северного Кавказа, испытавших влияние крымско-татарской антропонимии. Спорных версий происхождения у фамилии нет: прозрачная тюркская этимология и ясная словообразовательная модель не оставляют места для альтернативных толкований.