Фамилия Килибаев звучит на русский слух как тюркская, и это верное направление. Её основа — имя или прозвище Килибай, которое сложилось из двух частей: «кили» и «бай». Вторая часть, «бай», в тюркских языках означает «богач», «господин», «хозяин», а в составе имен указывало на состоятельность или высокое положение. Первая часть «кили» менее прозрачна. Скорее всего, это искаженное или диалектное произношение арабского имени Кали (Хали), которое восходит к «халид» — «вечный», «бессмертный». В казахском и других тюркских языках звук «х» часто выпадает или заменяется на «к», так что Калибай легко превращался в Килибай. Таким образом, имя Килибай могло означать «вечный богач» или «богатый, как вечность» — метафорическое пожелание долгой и обеспеченной жизни.

Фамилию образовали по русской модели: к тюркскому имени добавили суффикс принадлежности -ев, характерный для фамилий многих народов Поволжья, Казахстана и Средней Азии, оказавшихся в составе Российской империи. Форма Килибаев — это русифицированное «сын Килибая». Носители фамилии, скорее всего, происходят из казахской или башкирской среды, реже — из татарской. Географически фамилия встречается в Западном Казахстане, Оренбургской области и среди казахов, живущих в России.

Словообразовательная модель проста: имя Килибай + патронимический суффикс -ев. Суффикс -ев, а не -ов, указывает на то, что основа оканчивалась на мягкий согласный или йот (Килибай → Килибаев). Это типичный случай для фамилий, возникших от имен на -бай.

В отличие от многих русских фамилий, у Килибаева нет сословной привязки: имя Килибай мог носить и зажиточный скотовод, и простой воин. Фамилия не дворянская и не крестьянская в русском понимании — она отражает скорее социальный статус предка в тюркской среде, где «бай» было уважительным обращением. Если искать аналоги, можно вспомнить фамилии Калибаев, Калиев, Халитов — все они восходят к одному корню с разными фонетическими вариантами.