Фамилия Кустубаев — тюркская по происхождению, её основа — составное имя Кустубай. Это фонетический вариант более древнего имени Кыстаубай, где первая часть «кыстау» означает «зимнее пастбище». У кочевников существовало четыре сезонных пастбища: кыстау (зимнее), коктеу (весеннее), джайляу (летнее) и кузеу (осеннее). Вторая часть имени — «бай» — в тюркских языках обозначает «богатый хозяин», «могущественный человек», «господин». В Средней Азии, Казахстане, Якутии, на Алтае и отчасти на Кавказе баем называли крупного земле- или скотовладельца.

Скорее всего, имя Кустубай давали ребёнку, родившемуся зимой, то есть на зимнем пастбище. Такая модель имянаречения — по времени года или месту рождения — обычна для тюркской традиции. Суффикс -ев в фамилии указывает на русскую адаптацию: так оформляли фамилии у народов, входивших в состав Российской империи, по образцу русских патронимических фамилий.

Фамилия бытует в основном на Южном Урале и в Поволжье. В Книге памяти Республики Башкортостан зафиксированы двое носителей: Кустубаев Загит (1886 года рождения, Башкирия, Белорецкий район, деревня Махмутово) и Кустубаев Нигмат Гатиятович (1885 года рождения, там же). Оба — из башкирской среды, что подтверждает региональную привязку фамилии к башкирским и казахским степным районам.