Фамилия Бильтаев — редкий случай, где разбор упирается не столько в корень, сколько в суффиксальную модель. В большинстве русских фамилий на -ев основа заканчивается на мягкий согласный или -й (Иванов — от Иван, но Медведев — от Медведь), а здесь мы видим твёрдый корень Бильтай, к которому прирос -ев. Это не ошибка, а указание на то, что исходное прозвище или имя звучало как Бильтай — скорее всего, тюркское, где ай («луна», «месяц») — частый компонент личных имён.

Первая часть биль- может восходить к тюркскому bil («знать», «ведать»). В таком случае Бильтай — сложное имя со значением «знающий луну» или, в переносном смысле, «мудрый как месяц». В тюркской ономастике подобные конструкции обычны: имя Айбиль («лунная мудрость») встречается у башкир и татар. Фамилия Бильтаев, соответственно, образована от отчества: чей сын? — Бильтаев, то есть потомок Бильтая.

Другая версия, менее вероятная, связывает основу с bilta — в некоторых тюркских диалектах «топор» или «секира». Тогда Бильтай — прозвище мастера или воина, владеющего топором. Но для фамилии, закрепившейся в русской среде, такое прозвище давали бы скорее в форме Бильтов или Бильтев, а не Бильтаев. Сохранение гласной -а- в корне говорит о том, что перед нами именно имя, а не прозвище от предмета.

Географически фамилия тяготеет к регионам смешанного русского и тюркского населения: Оренбуржье, Башкортостан, Татарстан, отчасти Казахстан. Встречается она редко, поэтому носители, скорее всего, происходят из одного корня — семьи, получившей фамилию по имени родоначальника. Сословная принадлежность предков могла быть разной: от башкирских вотчинников до государственных крестьян, но без массовых данных по переписям утверждать что-то конкретное трудно. Единственное, что можно сказать уверенно: фамилия недворянская, так как в родословных книгах Российской империи она не фиксируется.