Фамилия Кильдибаева образована от мужского имени Кильдибай, и её основа — тюркское составное имя. Первая часть, «кильди», восходит к тюркскому глаголу со значением «пришёл» или «явился». Вторая часть, «бай», в тюркских языках означает «богатый», «господин», «хозяин». В буквальном переводе имя Кильдибай можно понять как «пришёл богач» или «явился господин». Такие имена давали в тюркской среде с пожеланием ребёнку богатства и благополучия, нередко — ребёнку, родившемуся после долгого ожидания или в семье, где дети умирали, чтобы «приманить» удачу и достаток.

Фамилия закрепилась в форме патронима с русским суффиксом -ев, который присоединяется к основам на мягкий согласный или гласный. Поскольку исходное имя Кильдибай заканчивается на «й», суффикс -ев дал форму Кильдибаев, а женский вариант — Кильдибаева. Такая модель характерна для фамилий тюркского происхождения, которые оформились в русской среде в XVI–XIX веках, когда башкиры, татары и другие народы Поволжья и Приуралья переходили к фамилиям по отчеству.

Географически фамилия Кильдибаева чаще всего встречается в Башкортостане и соседних регионах — Оренбургской, Челябинской областях. Это указывает на башкирские или татарские корни носителей. В башкирском языке имя Кильдибай (Килдебай) известно и в варианте Килдебәй, где «килде» — форма прошедшего времени глагола «килеү» (приходить). Учитывая ареал, наиболее вероятно, что предки носителей фамилии были башкирами, получившими фамилию по имени отца, которое в свою очередь отражало традиционные тюркские именования с пожелательной семантикой.

Редкая версия связывает фамилию с топонимом — например, с названием реки или населённого пункта вроде Кильдибай (такие встречаются в Башкортостане). Но это скорее вторичное явление: селения часто называли по имени основателя, а не наоборот. Поэтому основным остаётся антропонимическое объяснение — от личного имени.

Сравнение с однокоренными фамилиями, такими как Кильдибаев, Килдебаев, Кельдибаев, показывает, что все они восходят к одному корню, но различаются диалектным произношением или особенностями записи в метриках. Фамилия Кильдибаева не относится к числу массовых, но её чёткая тюркская структура и привязка к конкретному региону делают её прозрачной для этимологического разбора.