Фамилия Карбаиновы — это отчество второго порядка, то есть «дочь Карбаина, внучка Карбая». В основе лежит тюркско-татарско-башкирское мужское имя Карабай. Оно составное: «кара» (чёрный, смуглый, а также в переносном значении «сильный, грозный, богатый») и «бай» (господин, хозяин, богач). Имя могло быть пожеланием ребёнку благополучной жизни или просто указывать на тёмный цвет волос или кожи.

Выпадение второго гласного «а» (из Карабаинов в Карбаинов) — результат обычных исторических изменений в русском произношении и письме: безударные гласные редуцировались, а фамилия со временем закрепилась в сокращённом виде.

Формант -ов — стандартный русский суффикс принадлежности. Изначально Карбаинов — «чей?» — сын или потомок Карбаина. Такая модель (мужское имя → отчество на -а/-я → фамилия на -ов) была особенно распространена в XV–XVII веках, когда фамилии только закреплялись.

Сами корни фамилии уходят глубже — в среду тюркских народов, контактировавших с восточными славянами: печенегов, половцев, а позже и выходцев из Золотой Орды. Многие дворянские роды в России имели тюркское происхождение, что не было редкостью: инородные основы легко входили в русский именослов. Однако утверждать, что конкретный род Карбаиновых принадлежал к дворянству, без документальных подтверждений нельзя — фамилия могла закрепиться и в крестьянской, и в служилой среде.

Фамилия редкая: по открытым данным, основные очаги её бытования — Поволжье и Приуралье, что логично стыкуется с зоной активных тюркско-славянских контактов. Встречаются варианты написания Карбаинов и Карбайнов, но нормативным считается первый.