Фамилия Нуртлеуов — редкий пример, когда русский патронимический суффикс -ов наложился на казахское личное имя. Основа здесь — мужское имя Нуртлеу, которое в свою очередь образовано от двух корней: арабского «нур» (свет, сияние) и тюркского «тлеу» (желание, просьба, намерение). Вместе это можно перевести как «светлое желание» или «сияющая цель». В казахской антропонимике такие составные имена с компонентом «нур» очень характерны — они несли пожелание ребёнку быть озарённым, удачливым, чистым помыслами.

Словообразовательная модель типична для русификации тюркских фамилий в XIX–XX веках: к основе (имени отца) добавили русский суффикс принадлежности -ов. Изначально Нуртлеуов означало «сын Нуртлеу» или «из рода Нуртлеу». В отличие от многих фамилий на -ов, которые массово закрепились за крестьянами после отмены крепостного права, эта фамилия распространялась в среде казахов, получавших фамилии при переписях или при переходе на оседлость.

Географически фамилия привязана к Западному Казахстану, особенно к Атырауской и Западно-Казахстанской областям. Встречается она и среди казахских диаспор в России (Астраханская, Оренбургская области), но крайне редко. Фамилия не имеет вариантов с другими суффиксами (например, -ин или -ский), что указывает на её позднее оформление и единый источник.

С точки зрения социальной истории, носители фамилии Нуртлеуов в дореволюционный период чаще всего были скотоводами или рыбаками (в прикаспийских районах). В XX веке фамилия не получила широкой известности за пределами региона, и её обладатели не фигурируют в общероссийских справочниках знаменитостей — это обычная родовая фамилия, сохранившаяся без искажений.