Фамилия Атраубаева — редкий пример, когда в основе фамилии лежит не имя предка, а географическое название с тюркским корнем, почти не встречающееся в русском ономастиконе. Её ядро — топоним Атрауба. Разбираем его: казахское или ногайское «атрау» означает «остров», «речной мыс» или, в диалектном варианте «атрауба», — «место у воды», «излучина». Русский суффикс «-ев», добавленный к этой основе, указывает на принадлежность: «из рода Атраубаевых» или «выходец из Атраубы».

Самая вероятная версия происхождения: фамилия пошла от названия населённого пункта Атрауба (или Атраубай) в Западном Казахстане или Астраханской области — регионе, где исторически жили ногайцы и казахи. Человек, переселившийся из этого села, получал прозвище Атраубаев — «тот, кто из Атраубы». Модель образования типична для тюркских фамилий, попавших в русскую среду: берётся местный топоним и к нему крепится русский патронимический суффикс.

Менее правдоподобна версия о личном имени Атраубай (где «бай» — богатый, хозяин). Такое имя теоретически могло существовать, но в документах оно не зафиксировано, а фамилии от топонимов в этой среде встречаются куда чаще, чем от имён.

Фамилия почти не выходит за пределы бывших кочевых областей: Казахстан, Астраханская и Оренбургская области России. Окончание «-аева» выдаёт женскую форму; мужской вариант — Атраубаев. Носители фамилии — скорее всего, потомки скотоводов или рыбаков, живших у речных излучин, где и возникло их родовое гнездо.