Фамилия Килыбаева — яркий пример тюркского ономастического следа в русском фамильном фонде. Её основа, имя или прозвище Килыбай, сложена из двух тюркских компонентов: «кылы» (в разных диалектах — «острый», «меч», либо «делай, совершай») и «бай» (господин, богач, хозяин). Таким образом, исходное имя могло означать «острый, как меч, господин» или «совершающий (добрые дела) богач». Вторая версия, с глагольным корнем, встречается реже, но её не стоит сбрасывать со счетов: в кочевой культуре имена-пожелания с повелительной формой глагола не редкость.

Фамилия образована по русской патронимической модели с суффиксом -ев, который присоединяется к основам, оканчивающимся на согласный или й. В данном случае от тюркского имени Килыбай (где конечный «й» перешёл в «ев») возникла форма Килыбаев, а женский вариант Килыбаева — это стандартное склонение по роду. Окончание -а указывает на принадлежность к роду, то есть «дочь или жена Килыбая». Именно такая модель (тюркское имя + русский суффикс) типична для фамилий, возникших в зонах активного контакта славян и тюрков: в Поволжье, Приуралье, Западной Сибири и Казахстане.

Самый вероятный социальный контекст появления фамилии — среда казачества, крестьян-однодворцев или служилых татар. Носители имени Килыбай могли быть не просто рядовыми кочевниками, а людьми, выделявшимися силой, богатством или влиянием. В русских документах XVI–XVII веков подобные имена фиксировались как прозвища, а затем закреплялись в качестве фамилий у их потомков. Споров вокруг корня почти нет: оба значения («меч» и «делай») хорошо ложатся в тюркскую антропонимику, причём военная метафора (меч) кажется более логичной для прозвища лихого воина или предводителя.

Фамилия редкая, не имеет массового распространения, что говорит о её локальном происхождении. Встречается преимущественно в Западном Казахстане, Оренбургской и Астраханской областях, а также среди казахских и татарских диаспор. Ударение, скорее всего, падает на второй слог: Килыба́ева.