Фамилия Нагайбаев образована от этнонима — названия небольшого тюркского народа нагайбаки. Это один из тех случаев, когда фамилия прямо указывает на национальную или субэтническую принадлежность предка, причём довольно редкую. Нагайбаки — крещёные татары, исторически жившие на Южном Урале и в Западной Сибири, в основном на территории нынешних Челябинской области и Башкортостана. В царской России их выделяли в отдельное сословие — казаков Оренбургского казачьего войска. Поэтому предок-носитель фамилии почти наверняка был либо самим нагайбаком, либо состоял на службе в их среде.

Основа фамилии — «нагайбак» — имеет, в свою очередь, две основные версии происхождения. По одной, это сложение тюркских слов «нагай» (ногаец, от Ногайской Орды) и «бак» (смотри, гляди), то есть «похожий на ногайца» или «смотрящий по-ногайски». По другой, более правдоподобной, «нагайбак» — это искажённое «ногай-баш» («ногайская голова»), то есть предводитель, старшина ногайского рода. В любом случае, корень указывает на связь с ногайцами — тюркским народом, который в XVI–XVII веках активно взаимодействовал с казанскими татарами и башкирами.

Фамилия образована по стандартной русской модели с суффиксом -ев, который присоединяется к основе, оканчивающейся на согласный (в данном случае «к»). В русской речи конечный «к» в основе «нагайбак» при склонении и образовании фамилии перешёл в «ев», а не в «ов», что типично для основ на мягкий или шипящий согласный, хотя здесь скорее сыграла роль фонетическая адаптация. Буквально фамилия означает «сын нагайбака» или «потомок нагайбака».

Географически фамилия редкая и почти не встречается за пределами Урало-Поволжья. Если встретить Нагайбаева в Москве или Петербурге, скорее всего, его корни уходят в Челябинскую область или Башкортостан. В дореволюционных переписях носители фамилии записывались как казаки или государственные крестьяне, часто в станицах бывшего Оренбургского казачьего войска. Дворянских родов с этой фамилией не известно — она сугубо народная, сословно маркированная.

Аналогов по модели образования среди фамилий других народов немного: есть, например, казахская фамилия Нагайбаев (от того же корня), но у казахов она встречается чаще, поскольку ногайское влияние в казахской степи было сильнее. В русском контексте Нагайбаев — яркий маркер уральской казачьей или татарской среды, который сохранил память о малочисленном народе, почти растворившемся в XX веке среди других групп.