Фамилия Николобай — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Её основа — явно каноническое имя Николай, но вот суффикс -бай выдаёт нетипичную для русского языка словообразовательную модель. В русских фамилиях обычны суффиксы -ов/-ев, -ин, -ский, а -бай — это тюркский компонент, означающий «богач», «господин», «владелец» или просто уважительное обращение к мужчине (ср. бай в составе фамилий Акбай, Баймуратов, Кульбай).

Скорее всего, фамилия Николобай возникла в среде, где русское имя скрестилось с тюркским титулом. Это могло произойти в регионах смешанного населения — на юге России, в Поволжье, на Урале или в Сибири, где русские переселенцы контактировали с татарами, башкирами, казахами. Прозвище Николобай давали человеку по имени Николай, который был зажиточным, влиятельным или просто пользовался уважением, — тюркоязычные соседи добавляли к его имени слово «бай». В русской среде такое прозвище могло закрепиться за самим носителем или перейти в фамилию его потомков.

Другая, менее вероятная версия — что фамилия образована от прозвища, связанного с неким «николобаем» как названием должности или ремесла. Но никаких исторических свидетельств о таком термине нет. В словарях тюркских заимствований «николобай» не встречается, так что версия с личным именем и титулом остаётся основной.

Модель образования проста: основа (Николо-) + компонент (-бай). Суффикс как таковой отсутствует — это скорее сложение двух элементов, что редко для русских фамилий, но типично для тюркских. В русский быт такая фамилия могла войти через документы, где прозвище записали как есть, без русификации окончанием -ов.

Встречаемость фамилии крайне низкая. По открытым данным, носители Николобай живут в основном на юге России и в Казахстане, что подтверждает гипотезу о зоне контакта культур. Известных исторических личностей с этой фамилией нет, что неудивительно для столь редкого варианта.