Фамилия Молбаев образована по самой распространённой в русском языке модели — с суффиксом -ев, который присоединяли к основам, оканчивающимся на мягкий согласный или на -й. В данном случае основа — Молбай. Это имя или прозвище тюркского происхождения, и здесь корень «бай» означает «богач», «господин», «хозяин», а в более архаичном значении — «вождь», «старший в роду». Первая часть имени, «мол», может восходить к тюркскому «мол» — «обильный», «изобильный», «богатый». Таким образом, имя Молбай в целом означало «богатый господин» или «обильный хозяин», что было типичным пожелательным именем: родители нарекали так сына, желая ему достатка и уважения.

Встречается и другая версия: «мол» может быть вариантом слова «мулла» (через оглушение и редукцию гласных в разговорной речи). В таком случае Молбай — это «мулла-богач» или «господин-мулла», то есть человек, совмещавший религиозный авторитет со светским положением. Эта версия менее вероятна для исходной формы, но могла повлиять на осмысление фамилии в русскоязычной среде.

Географически фамилия Молбаев характерна для народов Поволжья и Урала: татар, башкир, а также для казахов. В русских документах она фиксируется с XIX века, когда крестьяне и служилые люди нерусского происхождения получали фамилии по имени отца. Так, сын некоего Молбая становился Молбаевым.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Молбаев, Баймолов, Молдабаев — показывает, что все они построены вокруг одного семантического узла «богатство + имя», но порядок частей и суффиксы различаются. Это говорит о живой традиции имянаречения, где компоненты могли меняться местами, а фамилии закреплялись за разными родами независимо друг от друга.

В современной России фамилия редкая, её носители в основном сосредоточены в Татарстане, Башкортостане и Оренбургской области. Никаких сведений о дворянском происхождении или массовом переселении Молбаевых нет — перед нами типичная патронимическая фамилия, возникшая в крестьянской или мещанской среде.