Фамилия Мезгильбаев — один из тех случаев, когда разбор даёт сразу несколько зацепок, и первая из них — этническая. Она явно тюркская по происхождению, и её ареал, скорее всего, связан с башкирской или татарской средой, реже — с казахской. Об этом говорит характерный финальный компонент «-баев», который в тюркских языках восходит к слову «бай» — богатый, хозяин, господин. Суффикс «-ев» — уже русское окончание, которое добавили при адаптации фамилии в документах Российской империи.

Куда интереснее основа — «Мезгиль». Здесь возможны две версии, и обе имеют право на жизнь. Первая: «мезгиль» может быть искажённым вариантом слова «мезгил» (время, период, срок) из тюркских языков, например, из башкирского или татарского. Тогда прозвище Мезгиль мог получить человек, связанный с каким-то важным временем года или событием — например, родившийся в определённый сезон или выполнявший сезонную работу. Вторая версия: «мезгиль» — это диалектное или личное имя, возможно, сложенное из «мез» (я) и «гиль» (цветок, роза, от персидского «гюль»). В таком случае Мезгиль — это прозвище-пожелание, что-то вроде «я — цветок», но это более спорная гипотеза, так как сочетание нехарактерно для классической антропонимии.

Словообразовательная модель проста: к личному имени или прозвищу Мезгиль добавили тюркский аффикс принадлежности «-бай» (Мезгильбай — «Мезгиль-господин»), а затем русский патронимический суффикс «-ев». То есть фамилия буквально означает «потомок Мезгильбая». Носители такой фамилии — скорее всего, потомки человека, которого в общине знали именно по этому составному имени-прозвищу.

В отличие от многих русских фамилий на «-ов», здесь нет указания на ремесло или отчество отца в классическом понимании. Социальный контекст — это башкирские или татарские крестьяне, реже — служилые люди, которые получали фамилии в XVIII–XIX веках при переписях и закреплении земель. Фамилия редкая, и её носители, вероятно, сосредоточены в нескольких деревнях на Южном Урале или в Зауралье, где сохранились старые родовые имена.