Фамилия Нильдибаев — редкий случай, когда её основа не поддаётся однозначной славянской этимологии. С точки зрения словообразования, это типичная патронимическая фамилия на -ев, указывающая на происхождение от отца. Суффикс -ев (а не -ов) присоединяется к основе, оканчивающейся на мягкий согласный или шипящий, что в данном случае естественно для заимствованного корня. Фамилия образована от личного имени Нильдибай, которое, скорее всего, имеет тюркское происхождение.

Разбор имени Нильдибай ведёт к двум возможным компонентам. Первая часть — «нильди» — может восходить к тюркскому корню со значением «пятно», «метка» или «знак». Вторая часть — «бай» — широко распространённый компонент в тюркских именах, означающий «богатый», «господин», «хозяин». Таким образом, имя Нильдибай могло означать «богатый меткой» или «господин со знаком», что в древности могло быть прозвищем человека с родимым пятном или особой приметой, либо указывать на владельца тавра (клейма) для скота.

Географически фамилия тяготеет к регионам Поволжья и Урала, где исторически взаимодействовали тюркские и финно-угорские народы. Наиболее вероятна связь с башкирской или татарской средой, где имя Нильдибай (в вариантах Нильдебай, Нилдебай) могло бытовать вплоть до XIX века. Встречаются также варианты написания через «е» — Нильдебаев, что подтверждает устное бытование имени и колебания в передаче безударного гласного.

Сословная принадлежность первых носителей фамилии не зафиксирована в открытых источниках, но суффикс -ев и отсутствие дворянской приставки указывают на происхождение из крестьянской или казачьей среды, либо из податных сословий. В отличие от фамилий на -ский, Нильдибаев — фамилия-прозвище, закреплённая за одним родом, а не за целым поместьем. Сегодня это редкая фамилия, и её носители, скорее всего, сосредоточены в Башкортостане, Оренбургской и Челябинской областях.