Фамилия Келгенбаи — редкая для русской ономастики, и её происхождение ведёт не в славянскую, а в тюркскую языковую среду. Это не результат прозвища или ремесла, а переосмысленное личное имя, что сразу отличает её от большинства русских фамилий на -ов и -ин.

Основа фамилии — составное имя Келгенбай. В тюркских языках (особенно казахском, каракалпакском, отчасти татарском) «келген» означает «пришедший», «прибывший», а «бай» — «богач», «господин», «хозяин». В буквальном смысле Келгенбай — «пришедший богач» или «богатый пришелец». Однако в традиции имянаречения у кочевых народов такие имена часто давали с пожелательным смыслом: чтобы в семью пришло благополучие, или в честь долгожданного гостя, или ребёнку, родившемуся после долгого отсутствия отца. Имя фиксировало событие, а не социальный статус.

Суффикс -и в фамилии Келгенбаи — это не русский патронимический суффикс. Он отражает тюркскую модель образования фамилий, где к имени прибавлялся аффикс принадлежности или происхождения, часто через записи в метриках или советских паспортах. В русской передаче это выглядит как застывшая форма именительного падежа с конечным -и, что иногда сближает фамилию с грузинскими или греческими моделями, но здесь это чисто тюркская основа.

Географически фамилия Келгенбаи тяготеет к Западному Казахстану, Актюбинской и Мангистауской областям, а также встречается среди казахов и каракалпаков в Узбекистане. В русском контексте она — результат межэтнических контактов или переселений. Сословной принадлежности у фамилии нет: её носителями могли быть и скотоводы, и торговцы, и воины — имя не указывало на профессию или знатность.

Сравнение с однокоренными фамилиями вроде Келгенов, Келгенбаев показывает, что вариант Келгенбаи — более архаичная или диалектная форма, сохранившая исходное окончание без русифицирующего суффикса -ев. Это делает её ценной для лингвистов: она зафиксировала этап, когда имя ещё не переделали под русскую грамматику.