Фамилия Балтагараев — редкий пример тюркского именования, в котором соединились два самостоятельных слова. Она образована от личного имени Балтагара (или прозвища), где первая часть «балта» означает «топор», а вторая — «гара» (кара) — «чёрный», «тёмный» или «сильный». В тюркской ономастике «чёрный топор» могло быть не цветовой характеристикой, а указанием на крепость, основательность или мрачную суровость. Такие составные имена были распространены у многих тюркских народов и часто давались мальчикам как оберег или как отражение внешних качеств.

Модель образования фамилии — типичная для русской адаптации тюркских фамилий: к основе Балтагара добавили русский патронимический суффикс -ев (вариант -ов после мягких и шипящих). Изначально Балтагараев означало «сын (или потомок) Балтагары». В дореволюционных документах фамилия могла записываться как Балтагараев или Балтагараевъ, а в устной речи — с ударением на последний слог, что характерно для многих тюркских фамилий в русском языке.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где исторически жили казахи, башкиры, татары или ногайцы — в частности, к Оренбургской, Астраханской областям, а также к северному Казахстану. Встречается она нечасто, что объясняется её составным характером: более распространены одноосновные фамилии вроде Балтаев или Караев. Балтагараев — сложение двух корней, которое сохранилось в виде исключения, возможно, из-за того, что носители долго держались за родовое имя как за маркер происхождения.

Стоит учесть, что в некоторых диалектах «кара» может означать не «чёрный», а «земля» или «грязь», что меняет смысл на «земляной топор» — возможно, прозвище человека, работавшего с землёй или жившего в землянке. Но эта версия менее вероятна, так как в тюркских именах «кара» в значении «чёрный» встречается в сотнях примеров (Карабаев, Карасаев), а «земля» — редко.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Балтагараев стоит в одном ряду с Балтабаевым и Балтагуловым, где «бай» — богач, «гул» — раб. Выбор второго корня — «гара» — указывает скорее на характеристику, а не на социальный статус, что делает фамилию более прозвищной, чем родовой.