Фамилия Ильбаев образована от тюркского мужского имени Ильбай. Разбираем эту основу: первая часть «иль» восходит к слову со значением «страна, родина, государство», вторая часть «бай» — это титул или статус «богатый, могущественный человек, господин». Таким образом, имя Ильбай означает «богатая страна» или «господин страны». Потомка человека с таким именем и стали называть Ильбаевым.

Обратим внимание на модель образования. Фамилия оформлена русским патронимическим суффиксом -ев, который присоединяется к основе, оканчивающейся на согласный (в данном случае на «й»). Это стандартный способ русификации тюркских имен: к основе Ильбай добавили -ев и получили буквальное значение «сын Ильбая». Такая модель — одна из самых распространённых для фамилий тюркского происхождения в России.

География фамилии традиционно связана с регионами, где исторически жили тюркские народы: Башкортостан, Татарстан, Оренбургская область. Имя Ильбай встречается в этих краях, и носители фамилии чаще всего имеют башкирские или татарские корни. Встречаются варианты написания с «а» — Илбаев, но основной и самый частотный вариант именно Ильбаев.

Встречается и более прозаичное толкование: имя могло быть составным, где «ил» — это «народ, племя», а «бай» — «богач, вождь». Тогда смысл смещается к «богатый народом» или «вождь племени». Обе версии не противоречат друг другу, так как в тюркской ономастике «иль» объединяет понятия территории и общности людей, а «бай» всегда указывает на высокое положение.