Фамилия Бухарбаев — типичный пример тюркской модели образования фамилий, где к основе прибавляется русский патронимический суффикс -ев. Основа здесь — личное имя или прозвище Бухарбай. Это составное имя: первая часть указывает на город Бухару (название происходит от согдийского «бухарак» — «удачное место»), вторая — «бай» в тюркских языках означает господин, богатый и влиятельный человек. В буквальном переводе Бухарбай — «богач из Бухары» или «бухарский господин».

Фамилия образована по той же логике, что и множество других на -баев: потомка человека по имени Бухарбай стали называть Бухарбаевым. Географическая отсылка здесь не случайна: Бухара на протяжении веков была крупным торговым, религиозным и культурным центром Средней Азии. Поэтому прозвище Бухарбай могли дать не только уроженцу города, но и человеку, который торговал с Бухарой, носил бухарские товары или просто отличался богатством и статью, ассоциируемой с этим городом.

Словообразовательная модель проста: корень Бухар- + компонент -бай + русский суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?»). Фамилия распространена у казахов, башкир, татар и других тюркских народов, где имя Бухарбай встречается как традиционное. Встречаются варианты написания с одной «р» (Бухабаев), но основной, закрепившийся в документах, — Бухарбаев.