Фамилия Тагильбаев — редкий случай, когда основа слова почти не оставляет сомнений в своём происхождении, зато суффиксальная часть может запутать. Сразу главное: корень здесь — «тагил», и он указывает на географическую привязку к городу Нижний Тагил или к реке Тагил на Урале. Такие фамилии, образованные от названий городов и рек, обычно появлялись у людей, которые либо родились в этом месте, либо переселились оттуда и получили прозвище по месту выхода.

Однако форма Тагильбаев нестандартна. Типичная уральская фамилия от этого топонима звучала бы как Тагильцев (с суффиксом -ев от прозвища «Тагилец») или Тагилов (с суффиксом -ов). Здесь же мы видим тюркский отцовский формант -баев. В русской ономастике это почти всегда указывает на то, что носитель — из смешанной среды, где русский топоним соединился с башкирской или татарской моделью образования фамилий. «Баев» — от тюркского «бай» (богатый, хозяин, господин). То есть буквально Тагильбаев — это «сын Тагильбая», а Тагильбай — сложное имя-прозвище: «богатырь/хозяин из Тагила» или «тагильский бай».

Вероятнее всего, фамилия сложилась на стыке двух культур — в среде башкирского или татарского населения, жившего на Урале рядом с русскими горнозаводскими поселениями. В XIX веке у башкир и татар нередко встречались двусоставные имена с привязкой к местности: например, Минлебай, Ишбай. Вариант «Тагильбай» мог получить человек, который переехал в башкирские земли из района Тагила или торговал с тагильскими заводами. Позже, при оформлении фамилий по русскому образцу, к этому имени добавили стандартный для тюркских фамилий суффикс -ев (через форму «Тагильбаев»).

Сословно предки Тагильбаевых могли быть как башкирами-вотчинниками, так и государственными крестьянами из числа татар или тептярей, работавшими на уральских заводах или занимавшимися скотоводством. Фамилия редкая, встречается в основном в Челябинской области, Башкортостане и в меньшей степени в Свердловской области — то есть ареал совпадает с исторической зоной контакта русского Урала и тюркского Зауралья. Спорных версий тут немного: попытки вывести «тагил» от тюркского «тау» (гора) и «кул» (озеро) лингвистически слабы, так как гидроним Тагил — общепризнанно мансийского происхождения («тёмная вода»), и тюркская этимология здесь вторична.