Фамилия Нурлыкаева образована по модели, типичной для тюркских и мусульманских народов России, но с неожиданным лингвистическим поворотом. В её основе лежит составное мужское имя, которое соединило два арабских корня: Нурлы и Кай. Первый корень, Нурлы, восходит к арабскому «нур» — свет, и в тюркской традиции осмысляется как «лучистый, лучезарный, сияющий». Второй — Кай — в арабском языке означает «правитель, властитель». Соединившись, эти корни дали имя, которое можно перевести как «сияющий правитель» или «лучезарный владыка».

Словообразовательная схема фамилии проста и прозрачна: к основе Нурлыкай добавили патронимический суффикс -ев (в женском роде — -а), что означает «сын (или дочь) Нурлыкая». Такая модель — самая распространённая у татар, башкир и других тюркских народов, где фамилии массово закреплялись в конце XIX — начале XX века после переписей населения. Интересно, что в самом имени Нурлыкай отчётливо видна тюркская фонетическая адаптация: арабское «Нур» получило окончание -лы (как в словах «ташлы», «урманлы», указывающих на обладание признаком), а «Кай» усеклось до краткой формы. Это говорит о том, что имя бытовало в живой разговорной среде задолго до того, как превратилось в фамилию.

Встречается и иная, менее вероятная трактовка: иногда Нурлыкаева связывают с тюркским словом «кай» в значении «скала, утёс» или с этнонимом «кайи» (одно из огузских племён). Тогда имя осмысляется как «светлый утёс» или «сияющий с вершины». Однако арабское прочтение выглядит убедительнее: имена с корнем «нур» (Нурлыбек, Нурлыгаян, Нурлыхан) широко распространены у мусульман Поволжья и Урала, а компонент «кай» в значении «правитель» встречается в составных именах (например, Кайсар, Кайюм).

Процесс формирования фамилий у тюркских народов был длительным и неравномерным. У оседлого населения городов и торговых слобод фамилии могли закрепиться раньше, у сельских жителей — только после всеобщей переписи 1897 года и последующих административных реформ. Поэтому точно указать место и время возникновения рода Нурлыкаевых без генеалогических изысканий невозможно. Ясно одно: фамилия отражает не профессию и не прозвище, а гордое личное имя родоначальника, которое несли как благословение. Носители фамилии сегодня встречаются преимущественно среди татар и башкир, а также в смешанных семьях по всей России и в странах Средней Азии.