Фамилия Колженбаев — редкий случай, когда основа не поддаётся однозначной славянской этимологии. Это фамилия тюркского происхождения, и её разбор требует обращения к казахскому, башкирскому или татарскому языковому материалу.

Словообразовательная модель здесь прозрачна: фамилия образована по русскому патронимическому суффиксу -ев, который добавляется к тюркскому имени или прозвищу. Основа «Колженбай» (или «Колжанбай») состоит из двух частей: «кол» (рука, раб, слуга) и «жан» (душа, человек) плюс компонент «бай» (богатый, хозяин, господин). В тюркской ономастике «бай» — частый титульный элемент в составных именах, указывающий на достаток или высокое положение.

Наиболее правдоподобная версия: имя Колжанбай могло означать «богатый душой» или «человек, имеющий слуг». Вариант с «кол» в значении «раб» встречается в именах-оберегах: родители могли назвать сына «Колжан» («раб души» или «слуга народа»), чтобы отвести от него злые силы, а «бай» позже добавилось для усиления — «раб, ставший господином». В казахской среде такие составные имена фиксируются в XIX веке, но фамилия в её русской записи (с окончанием -ев) оформилась, скорее всего, при переписях конца XIX — начала XX века, когда кочевое население получало фамилии по имени отца.

Географически фамилия тяготеет к западному Казахстану и Оренбуржью, где исторически жили казахи и башкиры. В русских документах того времени тюркские имена часто записывали на слух, поэтому возможны варианты написания: Колжанбаев, Калжанбаев. Суффикс -ев, а не более характерный для тюркских фамилий -ов, может указывать на то, что основа заканчивалась на мягкий согласный или что фамилию записывал русский чиновник, ориентировавшийся на произношение.

В отличие от многих русских фамилий, у Колженбаева нет очевидного ремесленного или сословного корня. Это чисто родовое имя, которое говорит о происхождении от конкретного человека по имени Колжанбай. Другие версии — например, связь с казахским «кол» (озеро) или «кол» (рука) в прямом смысле — выглядят слабее, так как не объясняют наличие «бая» и не подтверждаются типовыми моделями тюркских антропонимов.