Фамилия Мирзобаева — женская форма фамилии Мирзобаев. Её основа восходит к двум корням: «мирзо» и «бай». В тюркских и персидских языках «мирза» (иногда встречается вариант «мирзо») — титул или звание, означающее «сын эмира», «княжич», «знатный человек». Второй корень «бай» — тюркское слово со значением «богач», «хозяин», «господин». Складываясь, они образуют составное имя или прозвище Мирзобай — «знатный и богатый господин». Такие конструкции типичны для именной традиции народов Средней Азии, Кавказа и Поволжья, где два титула или статуса соединяли в одно имя для усиления значения.

Модель образования фамилии — восточная, с русским суффиксом принадлежности -ев. Основа Мирзобай присоединила этот суффикс, что характерно для фамилий, возникших в XIX–XX веках у народов, вошедших в состав Российской империи. Форма Мирзобаева — женская, указывающая на дочь или жену человека по фамилии Мирзобаев. В русской традиции такие фамилии не склоняются по падежам, если принадлежат женщине.

Географически фамилия Мирзобаева распространена в Таджикистане, Узбекистане, а также среди таджикской и узбекской диаспор в России. Встречается и в Дагестане, где «мирза» — распространённый компонент имён у кумыков и лезгин. Сословно предки носителей фамилии, скорее всего, относились к зажиточным слоям — купцам, землевладельцам или чиновникам, раз титул «мирза» предполагал знатное происхождение. Однако со временем фамилия стала массовой, и сейчас её носят люди самого разного социального положения.

Редкость фамилии — в двойном титульном корне. Обычно в фамилиях встречается либо «мирза» (Мирзоев, Мирзаев), либо «бай» (Баев, Баймуратов), а их сочетание — более уникальный случай. Это говорит о том, что имя-основа Мирзобай могло быть не случайным прозвищем, а сознательным выбором: родители хотели подчеркнуть максимально высокий статус ребёнка, соединив два престижных слова.