Фамилия Калтыбаева образована от мужского имени Калтыбай. Это составное тюркское имя, и его разбор помогает понять, что предки могли желать своему ребенку. Первая часть имени — «калты» — скорее всего, восходит к казахскому слову «калды», то есть «человек с родинкой». Вторая часть — «бай» — в тюркских языках означает «хозяин», «богатый», «могущественный». Таким образом, имя Калтыбай могли дать мальчику, родившемуся с родинкой, желая ему в будущем стать обеспеченным и занять высокое положение.

Имя Калтыбай — это, вероятно, фонетический вариант более распространенного имени Калдыбай. В живой речи звук «д» мог переходить в «т» под влиянием соседних языков или диалектов. Такие замены — обычное дело для устной традиции, поэтому обе формы по сути обозначают одно и то же.

Фамилия образована по стандартной для тюркских языков модели: к имени Калтыбай добавили русский суффикс -ев (в женском роде — -а), который указывает на принадлежность. Буквально Калтыбаева — «дочь (или жена) Калтыбая». Со временем фамилия закрепилась за потомками и перестала зависеть от пола.

Географически фамилия Калтыбаева встречается в регионах, где исторически жили тюркские народы: в Казахстане, Башкортостане, Татарстане, а также среди казахов, живущих в России. Встречаемость фамилии невысокая, что говорит о том, что родоначальник был человеком заметным в своей местности, но не принадлежал к многочисленному княжескому или ханскому роду.

В отличие от многих русских фамилий, образованных от крестильных имен, Калтыбаева напрямую связана с доисламскими тюркскими традициями имянаречения, где имя несли пожелание и описывали внешность. Родинка (калды) в этой культуре часто считалась счастливой приметой, поэтому имя не было случайным — оно программировало судьбу ребенка.