Фамилия Баенбай — редкий случай в русском ономастиконе. Она не вписывается в привычные модели русских фамилий на -ов, -ин или -ский. Её структура указывает на тюркское происхождение, скорее всего, из казахской, башкирской или татарской среды. Основа «бай» в тюркских языках означает «богач», «господин», «хозяин», а в составе личных имён часто служила пожеланием богатства и знатности. Первая часть «Баен» может восходить к тюркскому «баян» — «сказание», «рассказ», «слава» (отсюда и имя Баян), либо к слову «байын» со значением «богатство» или «становиться богатым». Таким образом, Баенбай — это составное имя-пожелание, которое можно перевести как «богатый славой» или «богатство, ставшее явным».

Фамилия образована путём прямой фиксации личного имени без добавления русского патронимического суффикса. Подобные «голые» фамилии характерны для народов Поволжья, Урала и Сибири, где в XIX веке при массовой паспортизации записывали имя отца или родовое прозвище в исходной форме. Носители фамилии Баенбай могли быть из башкирских или казахских родов, известных коневодством или торговлей, так как «бай» — это ещё и социальный статус. Встречаемость фамилии крайне низкая, что говорит о её локальном бытовании, возможно, в Оренбургской, Челябинской областях или в Казахстане.

С точки зрения словообразования, здесь нет суффикса — фамилия представляет собой чистое сложение двух тюркских корней. Это отличает её от большинства русских фамилий и сразу указывает на этнические корни предков. Если сравнивать с однокоренными, то Баенбай стоит в одном ряду с фамилиями Баянов, Баймуратов, Байтуганов, но без русифицирующего окончания, что делает её более архаичной и прямой. В документах XIX века такую форму могли записать как «Баенбаев», но в итоге закрепился исходный вариант.

Версия о возможном монгольском происхождении (от «баян» — богатый) также правдоподобна, но менее вероятна из-за географической привязки к Волго-Уральскому региону, где преобладают тюркские языки. Споров вокруг корня нет: обе гипотезы сходятся на значении «богатство» или «слава». Фамилия не имеет отношения к русскому слову «баен» (форма слова «байка»), это случайное звуковое совпадение.