Фамилия Нурталиева образована от мужского имени Нуртали — сложносоставного тюркского имени, где первая часть «нур» восходит к арабскому «нур» (свет, сияние), а вторая — «тали» к арабскому «али» (высокий, возвышенный, великий). В целом имя можно перевести как «сияющий величием» или «свет возвышенного». Фамилия с таким финалом (-ева) указывает на принадлежность к роду: Нурталиева — это дочь или жена человека по имени Нуртали. Фонетически форма «Нурталиева» характерна для русского склонения женских фамилий, но в исходном виде, без суффикса, мужская форма — Нурталиев.

Словообразовательная модель проста: к основе имени Нуртали прибавляется патронимический суффикс -ев (вариант -ов после мягких и шипящих, но здесь основа на -и, поэтому -ев). Такие фамилии массово возникали у тюркских народов в XIX — начале XX века при переходе к фиксированным фамилиям, особенно после введения всеобщей воинской повинности и переписей в Российской империи. Нурталиевы — это не русская дворянская фамилия, а типичная для казахов, татар, башкир, киргизов и других тюрко-мусульманских народов, где имя Нуртали встречается часто.

Географически фамилия Нурталиева распространена в Казахстане (особенно в южных и западных областях), в Татарстане, Башкортостане, а также среди диаспор в России и Узбекистане. Встречаются варианты написания: Нурталиев, Нурталеева (с «е» вместо «и» в середине — это влияние местных говоров или упрощение при записи в документах). Спорные версии о возможном происхождении от названия местности или рода не подтверждаются: корень «нур» и «али» однозначно указывают на арабское заимствование через исламскую традицию именования.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Нурталиева стоит в ряду с Нургалиевой (нур + Гали — другой вариант имени Али) или Нурмухамедовой. Разница в том, что в Нурталиевой вторая часть имени — это именно «тали», что реже встречается, чем «гали» или «мухамед», и может указывать на конкретный род или диалектную особенность. В ономастических справочниках, например у Б. Унбегауна, такие фамилии классифицируются как образованные от арабо-тюркских личных имён, принятых у мусульманских народов России.