Фамилия Долгобаева — женская форма от Долгобаев, и её разбор стоит начать с суффикса. Она образована по продуктивной русской модели отчества: к основе Долгобай добавили суффикс -ев. Такая модель типична для фамилий, возникших в XVI–XVII веках, когда прозвища превращались в наследственные фамилии.

Основа — Долгобай — составное прозвище. Первая часть, «долго-», указывает на длительность, протяжённость во времени или пространстве. Вторая часть, «-бай», — тюркское слово, означающее «богач», «господин» или «хозяин». В русских говорах, особенно в южных и поволжских регионах, «бай» могло закрепиться как часть прозвища, обозначая человека зажиточного, важного или просто того, кого иронично называли «барином». Таким образом, Долгобай — это человек, который долго был богат, или же ироничное прозвище того, кто «тянул» из себя барина: медлительного, важного, неспешного в делах.

Вероятнее всего, прозвище Долгобай дали не за реальное богатство, а за манеру поведения — затянутую, обстоятельную, с претензией на значительность. В крестьянской среде такое прозвище могло закрепиться за человеком, который долго раскачивался, медленно работал, но при этом любил казаться хозяином положения. Альтернативная версия — прозвище могло указывать на долгую жизнь в достатке, но это менее вероятно: такие прозвища обычно давали с оттенком насмешки.

Географически фамилия Долгобаев встречается редко, её корни скорее всего в областях активного контакта русских с тюркскими народами — в Поволжье, на Урале или в южнорусских губерниях. Социально носители фамилии — скорее всего, бывшие крестьяне или однодворцы, у которых прозвище закрепилось как фамилия ещё до отмены крепостного права. По данным современных справочников, фамилия не принадлежит к числу распространённых, что делает её уникальной: у неё нет громких исторических носителей, зато есть живая связь с бытовой иронией и тюркским влиянием на русскую ономастику.