Фамилия Талибуллин происходит от мужского тюркского имени Талибулла, которое имеет арабские корни и переводится как «желание Аллаха» или «просящий у Аллаха». Это имя несло глубокий религиозный смысл: нарекая сына Талибуллой, родители выражали надежду, что он вырастет достойным мусульманином, будет искать пути к Богу и жить по заветам ислама. Само имя составное, оно соединяет арабские компоненты «талиб» — ищущий, просящий, и «Аллах» — Бог, что в сумме даёт значение «ищущий Аллаха», «стремящийся к Богу».

Русская фамилия образована по модели притяжательных прилагательных с суффиксом -ин, который в данном случае присоединяется к основе имени. Форма Талибуллин буквально отвечает на вопрос «чей сын?» и означает «сын Талибуллы». Такой способ образования типичен для русских фамилий от тюркских имён: аналогично возникли, например, фамилии Абдуллин, Габдуллин, Мустафин. Суффикс -ин здесь закономерен, поскольку основа имени оканчивается на гласный звук.

Имя Талибулла было распространено у татар, башкир и других тюркских народов, исповедующих ислам. Соответственно, фамилия Талибуллин чаще всего встречается в Поволжье и на Урале — в Татарстане, Башкортостане, а также в Оренбургской и Челябинской областях, откуда впоследствии носители фамилии расселились по всей России. В дореволюционный период такие фамилии закреплялись за крестьянами и мещанами, но встречались и среди духовенства, поскольку имя имело явную религиозную окраску.

Стоит отметить, что в некоторых тюркских языках имя могло звучать иначе — например, Талибулла или Талибула, что отражалось и на написании фамилии. Однако в русской документации закрепилась форма с двойной «л» — Талибуллин, что соответствует более точной передаче арабского написания. Это написание стало стандартным и сегодня воспринимается как основное.