Фамилия Тагильбаева образована по самой распространённой в русском языке модели — с помощью суффикса -ев (фонетический вариант -ов после мягких согласных) от мужской фамилии Тагильбаев. Её основа — сложное имя или прозвище Тагильбай, которое составлено из двух тюркских компонентов: «тагиль» (возможно, топоним, связанный с названием реки или местности) и «бай» (в переводе с тюркских языков — «господин», «богатый», «хозяин»). Таким образом, Тагильбай — это «господин из Тагиля» или «богач, связанный с Тагилем».

Сам топоним «Тагиль» хорошо известен на Урале: река Тагил и город Нижний Тагил. В тюркских языках слово «таг» означает «гора», а суффикс -ил может указывать на принадлежность. То есть Тагиль — это «горный» или «относящийся к горе». В таком случае Тагильбай — «горный господин» или «владелец горных земель». Это указывает на возможную связь первых носителей фамилии с Уральским регионом, где были сильны тюркские (башкирские, татарские) влияния, а также развита горнодобыча.

Вероятнее всего, фамилия Тагильбаева имеет башкирское или татарское происхождение. В этих культурах составные имена с элементом «бай» были очень популярны и давались как знак пожелания богатства и уважения. Первым носителем фамилии был человек, которого звали Тагильбай — либо по месту жительства (выходец с берегов Тагила), либо по роду занятий (связанный с горным делом). Его потомки получили фамилию Тагильбаевы, а женщина, носящая фамилию Тагильбаева, — это представительница этого рода.

Окончание -а указывает на женский род, что типично для русских фамилий, заимствованных из тюркской среды. В отличие от русских фамилий на -ин/-ов, которые склоняются по падежам, Тагильбаева в женском варианте тоже склоняется, но её мужской аналог — Тагильбаев — имеет твёрдую основу. Фамилия довольно редкая, и её география, скорее всего, привязана к Уралу и прилегающим территориям Башкортостана и Татарстана. Других версий происхождения, кроме топонимической и антропонимической (от личного имени), у фамилии нет — она прозрачно читается через тюркские корни.