Фамилия Бильдебаев образована от тюркского составного имени Бильдебай. Разберём его по частям. Первая основа — «бильде» — восходит к общетюркскому корню «бильди», то есть «знакомый, знающий». Вторая часть — «бай» — из тюркско-татарского: «хозяин», «богатый, влиятельный человек», «господин». В Средней Азии баем называли крупного землевладельца или скотовладельца. Первоначально слово «бай» было социальным маркером, показателем статуса, но со временем стало нарицательным и вошло в состав множества личных имён — вроде Бильдебая.

Имя Бильдебай буквально означает «знающий господин» или «образованный господин». Фамилия Бильдебаев построена по стандартной русской модели: к основе Бильдебай добавили патронимический суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягкого или йотированного окончания). Такая модель характерна для фамилий тюркского происхождения, которые оформились в русской среде в XIX — начале XX века.

Стоит обратить внимание на редкость фамилии. Она не входит в списки массовых русских или татарских фамилий, что говорит о её узколокальном бытовании, вероятно, в среде казахских, башкирских или ногайских родов. Встречается в южных регионах России, Казахстане и среди татарской диаспоры. Аналогов с корнем «бильде» в русской ономастике почти нет, что делает фамилию Бильдебаев ценной для этимологического разбора: она сохранила архаичную тюркскую форму, почти не изменившуюся при русификации.