Фамилия Кельбялиев — один из тех редких случаев, когда корень фамилии почти наверняка указывает на конкретное место, а не на имя или прозвище. Основа «Кельбяли» — это тюркский топоним, точнее, азербайджанский или турецкий. Скорее всего, он восходит к названию села или местности Кельбяли (варианты: Кельбали, Гельбали). Такие названия встречаются в Азербайджане, в частности, в Лачинском районе, а также в исторической области Нахичевань. Суффикс «-ев» в конце — русский патронимический суффикс, который в XIX–XX веках массово добавляли к тюркским фамилиям при русификации, заменяя исконные окончания вроде «-оглы» или «-заде».

Если отбросить суффикс, в основе лежит сложное слово: «кель» (или «гель») — на тюркских языках означает «озеро», а «бал» — «мёд» или «сладкий». Вместе «Кельбяли» можно перевести как «медовое озеро» или «сладкое озеро». Однако в ономастике прямой перевод редко бывает верным: скорее, так называлось поселение у водоёма, известного чистой водой или богатыми пастбищами. В тюркской топонимике «бал» часто входит в состав названий не как «мёд», а как указание на плодородие или приятные природные условия.

Вторая версия, менее вероятная, но возможная: Кельбяли — это искажённое личное имя Кельбала (Келбала), которое состоит из «кел» (приходи) и «бала» (дитя). В тюркской антропонимике такие имена-пожелания давали долгожданным детям. Но тогда фамилия писалась бы как Кельбалаев или Келбалаев. Форма «Кельбялиев» с гласной «и» на стыке больше тяготеет к топонимическому происхождению, чем к имени собственному.

Носители фамилии Кельбялиев — почти исключительно представители народов Закавказья: азербайджанцы, лезгины, реже талыши. В России фамилия встречается в Дагестане и в крупных городах, куда мигрировали выходцы из Азербайджана. Сословно предки Кельбялиевых, скорее всего, были крестьянами или ремесленниками из сельской общины. Дворянских родов с такой фамилией в Российской империи не зафиксировано.

Что касается написания: в советских паспортах и метриках фамилия могла записываться как Кельбалиев или Кельбялиев — буква «я» вместо «а» часто появлялась из-за особенностей произношения в русской среде (аканье или стремление передать мягкость согласного). Современный вариант с «я» — наиболее распространённый и закрепившийся в документах.