Фамилия Нурлумбаева — редкий пример тюркско-монгольского именослова, осевшего в русской фамильной системе. Её основа — составное имя Нурлумбай (или Нурлумбек), где первая часть «нур» восходит к арабскому «свет, луч» (через тюркское посредничество), а вторая — «лумба» — звучит непривычно для русского уха. Скорее всего, «лумба» — это искажённое «лунба» или «лумбэ», что в ряде тюркских и монгольских диалектов означает «богатство, изобилие» или же является вариантом имени Лумба (сравните с казахским «лымба» — щедрый). Таким образом, Нурлумбай — это «светлое богатство» или «сияющий щедростью».

Суффикс «-ев» указывает на русскую адаптацию: фамилию образовали по модели притяжательных прилагательных (чей? — Нурлумбаев). Окончание «-а» — типичный женский вариант, который в русской традиции закрепился за дочерью или женой носителя мужской формы Нурлумбаев. Мужской вариант фамилии — Нурлумбаев.

Географически фамилия тяготеет к регионам с казахским, киргизским или башкирским населением, где сохранились архаичные составные имена с компонентом «нур». Встречается она крайне редко — носители сосредоточены в основном в Казахстане и прилегающих областях России (Оренбуржье, Алтай). Социально предки Нурлумбаевых, вероятно, были скотоводами или мелкими землевладельцами, а имя указывало на пожелание ребёнку удачи и достатка — типичная восточная традиция «говорящих» имён.

Словообразовательная модель фамилии необычна тем, что в ней соединились два разнокорневых элемента (арабский и тюркский/монгольский), что встречается реже, чем однородные тюркские основы. При этом фамилия обошлась без типичного для русского уха суффикса «-ов» после «й» — вместо этого «-ев» добавили прямо к основе, что говорит о поздней фиксации фамилии в документах, когда имя уже звучало как «Нурлумбай», а не «Нурлумбек».