Фамилия Атыгаева — женская форма от Атыгаев, и её разговор стоит начать не с географии, а с модели образования, потому что здесь смешались тюркская основа и русский грамматический шаблон. Основа — мужское имя или прозвище Атыгай, которое распадается на «аты» (конь, лошадь) и суффикс «-гай», типичный для тюркских имён со значением «имеющий отношение к». Буквально Атыгай — «конный», «всадник» или «тот, кто связан с лошадьми». В кочевой культуре, где конь был и транспорт, и валюта, и боевой товарищ, такое прозвище могло закрепиться за владельцем табунов, лихим наездником или коневодом по ремеслу.

Дальше сработала простая словообразовательная схема: к основе Атыгай добавили русский суффикс -ев, который в тюркских фамилиях передаёт принадлежность к роду или потомку (адаптированный вариант славянского -ев для встраивания в русскую грамматику). Окончание -а указывает на женский род — носительница фамилии дочь или жена человека по имени Атыгай. Из-за того что фамилия не получила чистых славянских суффиксов -ов/-ев или -ин в их привычном виде, она сохраняет яркую этническую окраску и почти не встречается за пределами тюркоязычных регионов.

В казахской ономастике имя Атыгай известно как одно из имён, произведённых от «ат» — конь. В башкирской и татарской среде бытует вариант Атыгаев с тем же значением. Есть и альтернативная версия: основой могло стать не имя, а прозвище, данное за быстроту или выносливость — «как конь». Но версия с прямым именем Атыгай, которое зафиксировано в родословных, выглядит правдоподобнее: в тюркской традиции имена с корнем «ат» были распространены и несли положительный смысл, без ироничного подтекста.

Географически фамилия чаще всего встречается в Казахстане, Башкортостане, Татарстане, а также среди казахской диаспоры в Узбекистане и Киргизии. В России она редка и локализована в основном в Поволжье и на Урале. Социальный контекст размыт: предки носителей фамилии, скорее всего, были скотоводами или воинами-всадниками, но уже в XIX–XX веках многие перешли к оседлому образу жизни, сохранив фамилию как память о кочевых корнях. Сословная принадлежность не прослеживается — фамилия бытовала и среди рядовых общинников, и среди старшин, так как имя Атыгай не было исключительно аристократическим.