Фамилия Койлюбаев — редкий случай, когда географическое происхождение почти наверняка перевешивает любые другие версии. Основа фамилии — тюркское мужское имя Койлюбай. Оно состоит из двух частей: «койлю» и «бай». «Бай» в тюркских языках означает «господин», «богатый», «хозяин», часто использовалось как компонент составных имён, подчёркивающий статус или пожелание достатка. Первая часть, «койлю», скорее всего, восходит к слову «кой» — овца (в тюркских языках, например, в казахском и киргизском). Тогда Койлюбай — буквально «овцевод-богач», «владелец овец». Прозвище или имя, указывавшее на род занятий или основное богатство семьи — скот. В кочевом скотоводческом хозяйстве овцы были главной мерой достатка, поэтому такое имя не унизительно, а, наоборот, говорит о благосостоянии.

Суффикс -ев (вариант -ов после мягких согласных) указывает на русскую модель образования фамилий: «чей?» — Койлюбаев, то есть сын или потомок Койлюбая. Фамилия явно сложилась в среде, где тюркские имена адаптировались под русскую делопроизводственную традицию — скорее всего, в XIX веке при записи в метрические книги или ревизские сказки.

Географически фамилия тяготеет к югу Западной Сибири, Алтаю, Казахстану. По встречаемости — это не массовая, а локальная фамилия. Встречаются варианты написания Койлюбаев и Койлюбай (без суффикса), но второй — скорее исходное имя, а не фамилия в русском понимании. Среди носителей есть люди, связанные с сельским хозяйством, но это уже следствие профессионального корня, а не современная реальность.

Койлюбаев — одна из тех фамилий, где значение прозрачно и говорит о быте предков: они были скотоводами, и их главным достоянием была отара овец.