Фамилия Нурлыбай — одна из тех, что сразу выдают своё происхождение: это чисто тюркская составная фамилия, образованная по модели, типичной для казахской, башкирской, татарской и ногайской ономастики. Её основа — мужское имя Нурлыбай, которое распадается на две части: «нурлы» (от арабского «нур» — свет, луч, сияние) и «бай» (тюркское — богатый, господин, хозяин). В сумме имя означает «сияющий богач» или «светлый господин», но в реальном бытовании это скорее пожелательное имя: родители желали сыну благополучия, достатка и ясной, «светлой» судьбы.

В отличие от русских фамилий на -ов/-ев или -ин, фамилия Нурлыбай не имеет дополнительного суффикса. В тюркской традиции, особенно у казахов, фамилии часто представляют собой застывшую форму личного имени (или отчества) без изменений: Нурлыбай — это и имя, и фамилия. Иногда в русскоязычных документах встречаются варианты с русифицированным окончанием — Нурлыбаев, но исходная форма Нурлыбай сохранилась именно у тех, чьи предки оформили фамилию по национальной модели, минуя прибавку русского патронимического суффикса.

Географически фамилия тяготеет к Казахстану, особенно к западным и южным регионам (Актюбинская, Кызылординская области), а также встречается у башкир и татар в Башкортостане и Оренбуржье. В дореволюционной переписи такие фамилии фиксировали редко — многие кочевые народы не имели наследственных фамилий в современном понимании до 1920–1930-х годов, поэтому фамилия Нурлыбай, скорее всего, официально оформилась в советское время при паспортизации. Предки носителя фамилии были, вероятнее всего, скотоводами или мелкими землевладельцами, а само имя Нурлыбай могло принадлежать деду или прадеду, который пользовался авторитетом в ауле — отсюда и «бай» в основе.

Любопытная деталь: в арабском корне «нур» есть и религиозный оттенок — «свет веры», «божественный свет». Так что имя Нурлыбай могло даваться ребёнку в семье, где ценили исламскую учёность, но с оговоркой: в кочевой среде «бай» всегда перевешивал, указывая на практическое богатство, а не на мистику. Из однокоренных фамилий можно вспомнить Нурбаев (без «лы») или Нурланов, но Нурлыбай стоит особняком — в ней два полноценных смысловых блока, и она не сократилась до односложной формы, как это часто бывало в тюркских фамилиях.