Фамилия Дзгенбаев — редкая и территориально привязанная. Её носители почти поголовно осетины, и это главная зацепка для этимолога. Фамилия образована по типичной для осетинской ономастики модели: основа Дзгенбай + русский суффикс -ев, который добавили при адаптации в российских документах (как Кубалов, Цаллагов, Бекузаров). Собственно осетинская форма фамилии — Дзгенбаты (с суффиксом -ты, обозначающим принадлежность к роду).

Корень «дзген» — спорный. Самая вероятная версия ведёт к осетинскому слову «дзæгъæл» (в иронском диалекте) или «дзæгъæн» (в дигорском), что значит «вдова», «одинокий», «бедный». В осетинских фамилиях нередки прозвища по социальному положению или семейному статусу: Дзæгъæл (вдовец) могло превратиться в Дзæгъæлбай (буквально «вдовий сын» или «сирота»). Со временем «дзæгъæл» стянулось до «дзген», а финаль -бай (от осетинского «фырт» — сын) закрепилась как патронимический показатель. Таким образом, Дзгенбаев — потомок человека по прозвищу Дзæгъæлбай, то есть «сын вдовца» или «сын бедняка».

Менее убедительна попытка связать корень с тюркскими языками, где «джен» или «джан» значит «душа», а «бай» — «богач». Осетинский язык, хоть и впитал тюркские заимствования, в данном случае даёт более последовательное объяснение: фамилия прозрачно раскладывается на осетинские морфемы без натяжек.

Географически фамилия тяготеет к Северной Осетии, особенно к Дигорскому ущелью и равнинным сёлам, куда дигорцы переселялись в XIX веке. Встречается также в Южной Осетии, но реже. Сословно носители Дзгенбаевых, скорее всего, относились к свободным крестьянам-общинникам (фæрсаг или фæззуат), а не к знати — прозвище «вдовий сын» вряд ли дали бы богатому или влиятельному роду.

В русских документах фамилия фиксируется с конца XIX века, когда осетинам начали массово присваивать фамилии с русскими окончаниями. Варианты написания (Дзгенбаев, Дзгенбай, Дзгенбаты) отражают разную степень русификации.