Фамилия Давлетбаев — тюркская по языку, но арабская по корню. Её основа — мужское имя Давлетбай, которое сложили из двух слов: арабского «давлат» (удача, счастье, богатство) и тюркского «бай» (господин, хозяин, богатей). Вместе имя означало «удачливый хозяин» или «повелитель удачи». Компонент -бай — характерная примета казахской, киргизской и башкирской ономастики: такие имена давали, желая мальчику благополучия и власти.

Фамилию образовали по восточной модели: к имени Давлетбай прибавили русский патронимический суффикс -ев (вариант -ов после мягкого согласного). Так имя превратилось в фамилию, которая буквально отвечает на вопрос «чей?» — сын Давлетбая. В русской традиции такие фамилии закрепились в XIX–XX веках, когда тюркские народы входили в состав Российской империи и получали документы на русском языке.

В отличие от многих русских фамилий, у Давлетбаева нет крестильного имени в основе: это не прозвище, а прямое имя предка. Имя Давлетбай встречается у башкир, татар, казахов, и фамилия Давлетбаев распространена прежде всего в Башкортостане, Татарстане, Оренбургской и Челябинской областях. Реже — у казахов, у которых она часто записывается как Давлетбаев или Даулетбаев (с вариантом «у» вместо «в»).

Слово «давлат» в арабском многозначно: кроме удачи, оно означает «государство», «могущество». В средневековых тюркских именах этот корень часто входил в состав имён знати и правителей. Однако имя Давлетбай — не титульное, а скорее пожелательное: его давали простым людям, надеясь на удачу в хозяйстве и семье. Поэтому предки современных Давлетбаевых могли быть и скотоводами, и земледельцами, и торговцами — точнее сказать трудно, сословных записей по этой фамилии почти нет.

В написании фамилии возможна путаница: иногда встречается форма Давлетбаев с одним «в» или Даулетбаев. Это связано с разной передачей арабской буквы «даль» в тюркских языках. Но в русских документах закрепился именно вариант Давлетбаев — через «в» после «да».