Фамилия Ильтубаева образована от тюркского мужского имени Ильтубай. Это сложное имя: первая часть «иль» означает «народ, страна, родина» (в древнетюркской и татаро-башкирской традиции), а вторая часть «тубай» (или «туба») восходит к слову со значением «полный, достаточный, изобильный» либо к глаголу «наполнять, насыщать». Таким образом, имя Ильтубай можно истолковать как «насыщающий народ», «кормилец страны» или «тот, кто приносит достаток родине». Это типичное для тюркских народов составное имя-пожелание, которое давали мальчикам, надеясь, что они станут опорой и благодетелями своего рода или общины.

Суффикс «-ева» указывает на принадлежность: «из рода Ильтубая» или «дочь/жена Ильтубая». Фамилия имеет женскую форму; мужская — Ильтубаев. Модель образования (основа + фамильный суффикс) характерна для русской грамматики, но сама основа — тюркская. Это говорит о том, что предки носительницы фамилии жили в зоне активных контактов тюркских и славянских культур, скорее всего, в Поволжье, Приуралье или Западной Сибири, где татары, башкиры и другие тюркские народы издавна соседствовали с русскими, а их имена нередко оформлялись по русским патронимическим моделям.

Встречается фамилия преимущественно у башкир и татар, реже — у казахов и других тюркоязычных народов. Поскольку имя Ильтубай не относится к числу самых распространённых, фамилия Ильтубаева остаётся достаточно редкой. В документах и переписях XIX — начала XX века её могли записать в разных вариантах: Ильтубаев, Ильтюбаев, Ильтубай — в зависимости от диалекта и грамотности писаря. Ударение, скорее всего, падает на последний слог — Ильтуба́ева, хотя в разговорной речи возможны смещения.

Сословно предки Ильтубаевых, судя по типу фамилии, относились к крестьянам или казакам (в башкирских и татарских общинах), реже — к мелким торговцам или служилым людям. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.