Фамилия Карлыбай — редкий случай в русском ономастиконе: она не славянская по происхождению, а тюркская, и образована не по модели «имя + суффикс -ов/-ин», а путём прямой транслитерации личного имени. Носители этой фамилии — почти поголовно потомки казахов, башкир, татар или других тюркоязычных народов, у которых фамилии в привычном для русских виде появились поздно, в XIX–XX веках.

В основе лежит мужское имя Карлыбай. Оно составное: первая часть «карлы» восходит к тюркскому «кар» — снег, либо к «кара» — чёрный, тёмный (в зависимости от диалекта и времени записи). Вторая часть «бай» — титул, означающий богатого, уважаемого человека, хозяина, господина. Таким образом, имя Карлыбай можно перевести как «снежный богач» или «чёрный бай» (то есть «могучий, как чёрная туча»). В тюркской антропонимике такие двухосновные имена с компонентом «бай» были распространены повсеместно: они выражали пожелание достатка и силы.

Фамилия Карлыбай не склоняется по падежам в мужском роде (Иван Карлыбай, у Ивана Карлыбай) и стоит в форме исходного имени, без русских суффиксов. Это указывает на её позднюю фиксацию в документах — скорее всего, в советское время, когда при паспортизации тюркские имена записывали как фамилии напрямую, не переделывая на русский лад. Географически фамилия встречается преимущественно в Казахстане, Башкортостане, Татарстане, а также в прилегающих областях России (Оренбургская, Челябинская, Астраханская).

Споров о происхождении здесь почти нет: тюркская основа очевидна. Единственная тонкость — могло ли имя Карлыбай быть прозвищем, а не именем? В тюркской среде прозвища редко становились фамилиями без изменений, а «бай» в составе имени — стандартный элемент, поэтому версия о личном имени надёжнее. Сословно предки носителей фамилии, скорее всего, были скотоводами или мелкими землевладельцами, реже — купцами, но точных данных о социальном статусе по одной фамилии нет.