Фамилия Гузельбаев — яркий пример антропонимики тюркских народов, где личное имя или прозвище перешло в фамилию почти без изменений. Основа здесь — мужское имя Гузельбай, которое состоит из двух тюркских корней: «гүзәл» (красивый, прекрасный) и «бай» (богатый, господин, хозяин). В совокупности имя Гузельбай можно перевести как «красивый богач» или «обладающий прекрасным богатством». Такие имена-пожелания были распространены у башкир, татар и казахов: родители наделяли сына качествами, которые хотели бы видеть в нём в будущем.

Фамилию образовали по русской модели с суффиксом -ев, который присоединяют к основам, оканчивающимся на -й. В паспортной записи XIX — начала XX века имя Гузельбай превратилось в Гузельбаев, что буквально означает «сын Гузельбая». Интересно, что в тюркской среде фамилий в современном понимании долго не было — их начали массово фиксировать при переписях и выдаче документов, поэтому Гузельбаевы — это потомки конкретного человека по имени Гузельбай, жившего, скорее всего, в одном из южноуральских или приуральских селений.

Географически фамилия тяготеет к Башкортостану и Татарстану, реже встречается у казахов и ногайцев. В русском написании возможна путаница с похожей фамилией Гузельбаев — через «е» после «л», хотя в оригинале корень «гүзәл» произносится с мягким «з». Встречаются также варианты Гузельбай (без суффикса) и Гузельбаев — это один и тот же антропоним, просто зафиксированный в разное время.

Социальный статус первых носителей определить сложно: имя Гузельбай не указывает на знатность, но и не было уничижительным. Скорее всего, предки Гузельбаевых были крестьянами или скотоводами — свободными общинниками, которые вели хозяйство в степной или лесостепной полосе. В советское время фамилия не утратила связи с национальной идентичностью, и сегодня её носители — в основном люди, осознающие свои башкирские или татарские корни.