Фамилия Балтыбаева — женская форма фамилии Балтыбаев, имеющей отчётливое тюркское происхождение. Её основа — составное мужское имя Балтыбай, которое в прошлом было широко распространено у башкир, татар, казахов и других народов, говоривших на языках кыпчакской группы.

Имя Балтыбай складывается из двух частей. Первая — «балты»: в тюркских языках это слово может означать «топор» (ср. тат. «балта») или «молот». Вторая — «бай», традиционный компонент многих имён, означающий «богатый», «господин», «хозяин». Таким образом, имя Балтыбай можно перевести как «богатый топором» или «хозяин топора». Однако в ономастике такие прямые переводы редко отражают суть. Скорее всего, имя имело охранительное, обережное значение: в древности считалось, что имя, связанное с орудием труда или оружием, отпугивает злых духов и дарует ребёнку силу и твёрдость. Топор у тюркских народов был не только плотницким инструментом, но и символом мужской власти, а также атрибутом воина.

Фамилия образована по стандартной для тюркских фамилий модели: к имени добавляется притяжательный аффикс «-ев/-ова» (русская адаптация тюркского суффикса принадлежности). Балтыбаевы — потомки человека по имени Балтыбай. В русской среде фамилия закрепилась в основном в Башкортостане, Татарстане, Оренбургской и Челябинской областях, а также среди казахских родов. Интересно, что у башкир существует и фамилия Балтабаев (с «а» вместо «ы» в первом слоге), что связано с диалектными особенностями произношения: в некоторых говорах «балта» (топор) звучит как «балты». Поэтому Балтыбаев и Балтабаев — это, по сути, одна и та же фамилия, записанная в разной орфографии.

Сословная принадлежность первых носителей могла быть разной. Среди Балтыбаевых встречались и рядовые общинники, и представители мусульманского духовенства, и торговцы. В документах XVIII–XIX веков фамилия фиксируется среди тептярей и башкир-вотчинников. В современной России фамилия остаётся относительно редкой, что делает её хорошим маркером связи с конкретным регионом и тюркской культурой.