Фамилия Онолбаева — редкая, и её происхождение напрямую связано с тюркскими языками, скорее всего, с башкирской или татарской средой. В основе фамилии лежит мужское личное имя Онолбай, которое состоит из двух частей. Первая — «онол» (в тюркских языках означает «понятливый», «разумный» или «осознающий»), вторая — «бай» (традиционный компонент, означающий «богатый», «хозяин», «господин»). Таким образом, имя Онолбай можно перевести как «богатый умом» или «понятливый хозяин». Фамилия образована по русской модели прибавлением суффикса -ев к основе имени: Онолбай + ев = Онолбаев. Окончание -а указывает на женскую форму, то есть это фамилия женщины.

Словообразовательная модель здесь стандартная для восточных регионов Российской империи. Если бы фамилия оформлялась по тюркской традиции, она звучала бы как Онолбаев (сын Онолбая) или Онолбай улы. Но при переходе в русскую документацию (например, при переписях или записях в метрических книгах) к имени добавили русский патронимический суффикс, характерный для фамилий нерусского населения Поволжья и Урала. Суффикс -ев, а не -ов, объясняется тем, что основа имени оканчивается на мягкий согласный или й (Онолбай → Онолбаев).

Географически фамилия, скорее всего, привязана к территориям современного Башкортостана, Оренбургской области или юга Челябинской области. Именно там были распространены составные имена с компонентом «бай» у башкир и татар. Встречаемость фамилии крайне низкая: в открытых базах данных она фиксируется единично, что говорит о её локальном бытовании, возможно, в пределах одного села или рода.

Сословная принадлежность предка-носителя имени Онолбай — скорее всего, башкир-вотчинник или тептяр (сословная группа в Башкортостане). «Бай» в имени указывает на зажиточность, но не обязательно на дворянство: в башкирском обществе это был скорее показатель уважения и хозяйственного статуса, чем формального титула. В отличие от фамилий, образованных от прозвищ по профессии, эта фамилия — чисто патронимическая, то есть напрямую указывает на имя конкретного предка, жившего, вероятно, в XVIII–XIX веках.