Фамилия Маметбай — редкий пример фамилии, которая почти полностью сохранила форму тюркского личного имени. В ней нет русских фамильных суффиксов (-ов, -ин, -ский), которые обычно перерабатывали иноязычную основу. Это прямое заимствование: фамилия и есть имя, которое носило одно из первых поколений предков.

Основа фамилии — составное тюркское имя Маметбай. Первая часть, Мамет, — это диалектная или сокращённая форма имени Мухаммед (Мухаммад), широко распространённая у башкир, татар, казахов и других тюркоязычных народов. Вторая часть, бай, переводится как «господин», «богатый», «хозяин». В дореволюционной кочевой и полукочевой среде этот компонент указывал на зажиточность, уважение или статус главы рода. Таким образом, имя Маметбай буквально значило «Мухаммед-господин» или «богатый, как Мухаммед», но скорее всего — просто пожелательное имя: «пусть будет богатым и уважаемым, как пророк».

Носители фамилии Маметбай, вероятнее всего, происходят из башкирской или татарской среды, реже — из казахской. В этих культурах фамилии начали закрепляться значительно позже, чем у русских (в основном после 1917 года), и часто записывались по имени отца или деда без изменений. Поэтому у человека по имени Маметбай его дети и внуки могли получить фамилию Маметбай без всяких суффиксов — это так называемые «бессуффиксные» фамилии.

Встречается фамилия в основном на Южном Урале и в Западном Казахстане. Можно найти её следы в метрических книгах и ревизских сказках Оренбургской и Уфимской губерний, где башкир и татар часто записывали по имени без отчества, а затем эта запись и становилась фамилией. В современной России и Казахстане фамилия остаётся малочисленной, что говорит о её локальном происхождении — возможно, от одного родоначальника в конкретном ауле или деревне.

По социальному составу предки Маметбаев — это, скорее всего, скотоводы, земледельцы или воины (казаки). Компонент «бай» в имени не обязательно означал реальное богатство: часто это был элемент имени-пожелания, которое давали, надеясь на благополучную жизнь.