Фамилия Илюбаев — редкий пример того, как тюркское личное имя легло в основу русской фамильной модели, но с необычным суффиксальным оформлением. Корень здесь — Илюбай, мужское имя, образованное по тюркской модели с компонентом «бай» (господин, богатый, хозяин). Первая часть имени, «Илю», скорее всего, восходит к арабскому Ильяс (Илия) через тюркское посредничество. Таким образом, Илюбай — это «Илья-господин» или «богатый, как Илья». Имя фиксируется у башкир, татар, казахов, но в русской среде фамилия Илюбаев встречается крайне редко.

Самое интересное в этой фамилии — её суффикс. Подавляющее большинство русских фамилий на тюркской основе имеют окончание -ов/-ев: Илюбаев — один из них. Но если бы фамилия оформлялась по тюркской модели, она звучала бы как Илюбай (без суффикса) или Илюбайулы (сын Илюбая). Русский суффикс -ев указывает, что носитель фамилии — потомок человека по имени Илюбай, и его предки, вероятно, уже жили в русскоязычной среде, где требовалось «обрусение» фамилии. Географически фамилия тяготеет к Оренбуржью, Башкортостану и Татарстану — регионам, где веками шло смешение тюркского и славянского населения.

В отличие от фамилий вроде Ильин или Илюшин, которые прямо образованы от имени Илья, Илюбаев прошёл через тюркский фильтр: сначала имя Илья превратилось в Илюбай, а затем, уже в русской канцелярии, получило суффикс принадлежности. Это делает фамилию своего рода мостом между двумя культурами. Носитель Илюбаев мог происходить из крещёных татар или башкир, либо из русских переселенцев, перенявших местное имя. Сословная принадлежность предков неясна — фамилия не дворянская и не купеческая, скорее всего, крестьянская или казачья, но точных данных нет.

Встречается вариант написания Илюбай (без суффикса), но это уже не фамилия в русском понимании, а скорее родовое имя у тюркских народов. В русских документах закрепилась именно форма на -ев.