Фамилия Кызылбаев — одна из тех, что сразу выдают тюркские корни и прямо указывают на этническую или сословную принадлежность предка. В основе лежит слово «кызылбаш» (в тюркских языках — «красная голова» или «красноголовый»). Так в XVI–XVII веках называли воинов-шиитов из иранского государства Сефевидов, которые носили чалму с двенадцатью красными полосками — символом двенадцати имамов. В русских документах и в обиходе кызылбашами нередко именовали всех персов или выходцев из Закавказья и Ирана, особенно тех, кто переселялся на Кавказ и в Поволжье.

Суффикс «-ев» в фамилии — русифицирующий, он добавлен по модели русских фамилий от основ на согласный (ср. Ахмет → Ахметов, Кызылбаш → Кызылбашев). Но в данном случае в основе стоит не «Кызылбаш», а «Кызылбай» — это более редкая форма, где «-бай» (тюркское «богач», «господин») могло заменить «-баш» под влиянием личных имён. Встречается и вариант Кызылбашев, но Кызылбаев — самостоятельная ветвь, закрепившаяся в документах.

Географически фамилия тяготеет к регионам с тюркским и кавказским населением: её носители встречаются в Татарстане, Башкортостане, на Северном Кавказе, а также среди астраханских и оренбургских татар. В некоторых случаях предок мог получить прозвище Кызылбай за рыжий цвет волос или бороды — «кызыл» означает «красный», «рыжий». Но основная, исторически более весомая версия — связь с кызылбашами, военной элитой Сефевидского Ирана, чьи отряды участвовали в походах на Кавказ и в Среднюю Азию.

Однокоренные фамилии — Кызылбашев, Кызылбаев, Кызылбай. Последняя, без русского суффикса, сохранилась у башкир и казахов как личное имя или родовое прозвание. В русской среде фамилия Кызылбаев — относительно редкая, что делает её особенно ценной для генеалогического поиска: она не «размыта» по тысячам однофамильцев, и её история обычно прослеживается до конкретной семьи.