Фамилия Колбаев образована по стандартной для русского языка модели: основа прозвища или профессии плюс патронимический суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягких и шипящих согласных). В центре фамилии — слово «колба», которое в русских говорах имело несколько значений, и от того, какое из них легло в основу прозвища, зависит, кем был предок.

Самое очевидное и, вероятно, первичное значение — «колба» как сосуд, реторта. В этом случае Колбаевым могли прозвать стеклодува, аптекаря или алхимика — человека, имевшего дело с лабораторной посудой. Прозвище такого рода могло быть ироничным: так в деревне называли грамотея, знахаря или странного человека, постоянно что-то смешивающего. Менее известно, но не менее важно, что в некоторых диалектах (особенно в южнорусских и украинских) «колба» означала толстую, короткую палку, дубину. Отсюда прозвище Колбай мог получить человек коренастый, крепкий или, наоборот, упрямый, как дубина.

Третий, более редкий вариант — происхождение от тюркского имени Калбай (где «кал» — «оставайся», «бай» — «богатый»). В русской среде такое имя легко переосмысливалось под влиянием знакомого слова «колба», и фамилия приобретала уже славянский суффиксальный облик. Однако эта версия менее правдоподобна, так как тюркских фамилий на -ев с основой на «б» почти нет, а фамилия Колбаев встречается в чисто русских регионах, например в бывших Рязанской и Тамбовской губерниях.

В отличие от фамилий на -ов, образованных от полных имен (Иванов), Колбаев — типичная «прозвищная» фамилия. Она не указывает на род занятий в прямом смысле, а скорее характеризует внешность или склад характера первого носителя. Географически фамилия тяготеет к средней полосе России, но не является массовой — это редкая фамилия, что характерно для прозвищ, не ставших крестильными именами.