Фамилия Исильбаев — редкий случай, когда географическая привязка почти наверняка перевешивает все остальные версии. Основа фамилии — топоним Исилькуль (город и озеро в Омской области). В тюркских языках «исиль» (или «иссык») означает «горячий, тёплый», а «куль» — «озеро». Исилькуль — незамерзающее озеро, отсюда и название. Фамилия образована по стандартной русской модели: к основе Исильб(ай) добавили суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — Исильбаев). Форма «Исильбай» — это уже личное тюркское имя, где «бай» значит «богатый, господин». Получается, что Исильбай — это либо человек, получивший имя в честь места (Исиль + бай), либо прозвище «теплый/горячий богач», что маловероятно для суровой Сибири.

Словообразовательная модель проста, но необычна. Суффикс -ев присоединён к основе на -ай, что типично для русификации тюркских имён (ср. Туктабаев, Кудайбердеев). Однако в большинстве случаев такие фамилии оканчиваются на -ев, а не на -ов, потому что конечный звук основы мягкий. В говорах сибирских татар и казахов имя «Исильбай» могло звучать как «Исильба», без конечного «й», но в документах закрепилась полная форма.

Версия, что фамилия происходит от прозвища «Исиль» (от слова «исиль» — тёплый) и суффикса -баев, менее убедительна. Слово «баев» в русском языке не имеет самостоятельного значения, а как часть фамилии встречается только в тюркских заимствованиях. Таким образом, единственная реалистичная гипотеза — связь с Исилькулем. Предки носителей фамилии, скорее всего, были выходцами из тех мест — сибирскими татарами, казахами или башкирами, которые переселились в другие регионы и получили фамилию по названию родного озера или города.

Сословная принадлежность предков неясна. Среди тюркского населения Сибири фамилии на -ев в XIX веке получали и крестьяне, и казаки, и мелкие торговцы. Известных носителей фамилии Исильбаев в открытых источниках нет — это говорит о том, что фамилия локальная и немногочисленная, что подтверждает её узкую географическую привязку к западносибирскому региону.