Фамилия Нурлыбаев — яркий пример тюркского антропонимического наследия, которое осело в русском ономастиконе. Её основа составная: первая часть «Нурлы» восходит к арабскому слову «нур» (свет, луч), которое через тюркские языки обросло аффиксом «-лы», образующим прилагательное со значением «обладающий светом», «светлый», «лучезарный». Вторая часть — «бай» — древний тюркский титул, означающий «господин», «богатый», «уважаемый человек». Таким образом, в буквальном переводе Нурлыбай — это «светлый господин» или «сияющий богач». Имя или прозвище с таким значением давали, скорее всего, с пожеланием благополучия и почёта.

Ключевая особенность фамилии — её словообразовательная модель. Русский суффикс -ев присоединился к тюркскому имени Нурлыбай, что типично для фамилий народов Поволжья и Урала (татар, башкир, казахов). В отличие от чисто русских фамилий на -ов, где суффикс указывает на принадлежность отцу (чей? — Иванов), здесь он выполняет роль русификатора, адаптируя имя под грамматику русского языка. Фамилия Нурлыбаев — «сын Нурлыбая».

Географически фамилия распространена в зоне тюркско-русского пограничья: Башкортостан, Татарстан, Оренбургская и Челябинская области, а также в Казахстане. В русских переписных книгах и ревизских сказках XVIII–XIX веков такие фамилии встречаются среди тептярей и государственных крестьян нерусского происхождения, которые не были крепостными, но несли подати и повинности. Социальный статус предков мог быть разным: от рядовых общинников до зажиточных баев, чьё имя перешло потомкам.

Стоит отметить, что в некоторых тюркских языках ударение в слове «нурлы» падает на последний слог, что при русификации могло дать вариант произношения Нурлыба́ев, хотя в современной русской традиции чаще фиксируется Нурлыба́ев (с ударением на последний слог фамилии). Спорных версий у фамилии нет: состав ясен, корни прозрачны, а история её появления — это типичный для Российской империи процесс включения инородческих имён в общую фамильную систему.