Фамилия Пиктубаев — редкий пример, где основа, скорее всего, не русская, а тюркская, а суффикс — типичный русский патронимический -ев. Такое сочетание указывает на обрусевшую ветвь нерусского рода: предок носителя фамилии, вероятно, происходил из татар, башкир, казахов или других тюркоязычных народов, но со временем фамилия оформилась по русской модели.

Корень «Пиктубай» разбирается на две части. «Пикту» — это искажённое или диалектное произношение арабского имени «Бикташ» или «Биктимер», где «бик» означает «крепкий, твёрдый» (в тюркских языках часто встречается в именах-оберегах). Вторая часть — «бай» (богатый, господин, хозяин). Таким образом, имя Пиктубай — это сложносоставное тюркское имя, которое можно перевести как «крепкий (или твёрдый) богач» или, в переносном смысле, «надёжный хозяин». В некоторых тюркских диалектах «пик» могло также означать «высокий» или «старший», что добавляет оттенок «старший богатырь» или «главный бай».

Суффикс -ев (а не -ов) появляется после мягких или шипящих согласных в основе. В случае с Пиктубаевым он указывает на принадлежность: «сын (или потомок) Пиктубая». Модель образования стандартна для русских фамилий, но сама основа неканоническая — это говорит о том, что фамилия закрепилась в документах сравнительно поздно, скорее всего, в XVIII–XIX веках, когда русские писцы переделывали тюркские имена на свой лад.

Географически фамилия встречается в основном в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской и Челябинской областях, а также среди казахских родов, переселившихся в эти регионы. Если предки были казахами, имя могло звучать как «Біктубай» (с твёрдым «б»), а при записи в русских метриках «б» перешло в «п» из-за оглушения в начале слова. Такая замена — не редкость для фамилий, адаптированных на слух.

Сословно носители фамилии, скорее всего, относились к государственным или ясачным крестьянам, реже — к служилым татарам или казакам. Дворянских корней у Пиктубаевых, судя по отсутствию в гербовниках, нет. Сравнение с однокоренными фамилиями — Биктубаев, Биктимиров, Бикташев — показывает, что все они восходят к одному корню «бик-» (крепкий), и Пиктубаев — лишь его фонетический вариант.