Фамилия Илтыбаев — яркий пример тюркской модели именования, где к основе приращивается русский патронимический суффикс -ев. Вся конструкция означает «сын Илтыбая». Ключ к пониманию фамилии лежит в разборе имени Илтыбай, которое состоит из двух частей: «ил» (или «эл») — «народ, страна, родина» и «тыбай» — форма от глагола «тап» (находить, добывать) либо от «тый» (сдерживать, останавливать). Таким образом, Илтыбай могло быть именем-пожеланием со значением «находящий (добывающий) свой народ» или «удерживающий народ» (в смысле «объединяющий родину»). В тюркской антропонимике второй компонент -бай (богатый, господин) часто добавлялся к основе, подчеркивая статус и благополучие.

Фамилия имеет отчетливую восточную географию. Она распространена в Башкортостане, Татарстане, а также среди казахов, особенно в западных и северных областях Казахстана. Встречается и у башкир рода усерган, где имя Илтыбай фиксируется в документах XVIII–XIX веков. Суффикс -ев, а не -ин, указывает на то, что основа имени заканчивалась на согласный (Илтыбай), что типично для тюркских имен, русифицированных в XVIII–XIX веках при переписях.

Редкость фамилии в том, что её основа не переводится однозначно. В отличие от распространенных «Тимербаев» (железный бай) или «Акбаев» (белый бай), здесь «ил» (народ) даёт более абстрактное, социальное значение. Сравните с фамилией Ильбаев: она могла образоваться от того же корня «ил», но без компонента «тыбай», что делает Илтыбаев более сложной по структуре. Встречается также вариант написания Елтыбаев — это диалектное чередование «и» и «е» в начале (ср. казахское «ел» — народ). Предки носителя фамилии, скорее всего, были людьми, получившими имя, подчеркивающее их связь с общиной, — возможно, старейшинами или воинами, на которых держалось единство рода.