Фамилия Омарбаев — тюркская по происхождению, и её разумнее всего начинать разбирать с корня. Основа — арабское мужское имя Омар (Умар, Гомер), которое означает «жизнь», «живущий», «цветущий». Это одно из самых распространённых имён в исламском мире, его носил второй праведный халиф Умар ибн аль-Хаттаб. В тюркских языках, особенно у казахов, узбеков, киргизов и татар, оно давало множество фамилий.

Суффикс -баев указывает на модель образования, типичную для казахских и других тюркских фамилий. Компонент «бай» в составе означает «богатый», «господин», «хозяин», а в более древнем значении — «вождь», «глава рода». Получается, что Омарбаев — это «бай по имени Омар» или «богатый Омар». Такие составные фамилии (личное имя + бай) в XIX — начале XX века часто давали детям, чтобы подчеркнуть состоятельность семьи или как пожелание благополучия.

Антропонимический словарь Б. Унбегауна относит подобные фамилии к восточным, образованным по модели «имя отца + родовой титул». В казахской ономастике Омарбаев — это патроним, то есть указание на предка: предка звали Омар, а его потомок стал Омарбаевым, то есть «сыном Омара-бая». Фамилия нередко встречается в Казахстане, особенно в южных областях (Алматинская, Жамбылская), а также среди башкир и татар.

В редких случаях, но с меньшей вероятностью, основа могла восходить к тюркскому слову «омар» (смысл — «крепкий», «сильный»), но такая версия уступает имени-источнику по распространённости. Фамилия не дворянская и не сословная — она бытовала в среде скотоводов, земледельцев и ремесленников, где имя Омар встречалось часто, а приписка «бай» отражала социальный статус или уважение к старшему в роду.