Фамилия Тамбаев — довольно редкая, и её происхождение ведёт нас не в центральную Россию, а на юг и восток. В основе лежит тюркское или монгольское личное имя Тамбай. В тюркских языках «там» или «тамга» — это знак, клеймо, печать, родовой знак собственности. Соответственно, Тамбай могло быть прозвищем человека, который ставил тамги (клеймил скот или помечал имущество), либо именем, данным по названию родового знака. У бурят и калмыков имя Тамбай встречается и сегодня, что указывает на вероятную монгольскую или ойратскую основу.

Словообразовательная модель проста: суффикс -ев присоединился к основе Тамбай, образовав патроним — «сын Тамбая». В русской традиции так оформляли фамилии тюркского и монгольского происхождения: если основа оканчивалась на -й, то типичным было окончание -ев (сравните: Аксай — Аксаев, Толбай — Толбаев). Форма Тамбаев, а не Тамбаин, подтверждает, что фамилия русифицировалась через отчество, а не через притяжательное прилагательное.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где исторически были сильны тюрко-монгольские влияния: к Башкортостану, Татарстану, Оренбуржью, а также к Бурятии и Калмыкии. Встречается она и у казахов, и у татар, что не противоречит единой основе — имя Тамбай интернационально для степных народов. В русских переписных книгах фамилия фиксируется с XVIII–XIX веков, обычно за крестьянами и казаками, которые несли пограничную службу и имели смешанное происхождение.

Стоит упомянуть и более редкую, но возможную версию: от слова «тамба» — в некоторых диалектах так называли удар, тумак, оплеуху. Тогда Тамбай — прозвище драчуна или человека, который «давал тамбу». Однако эта версия менее убедительна, так как в ономастике для фамилий с таким ареалом первичным обычно оказывается антропоним, а не нарицательное слово.

Таким образом, носитель фамилии Тамбаев почти наверняка потомок человека по имени Тамбай, жившего в среде тюркских или монгольских народов. Фамилия недвусмысленно указывает на родовую метку или знак, и предок мог быть тем, кто этим знаком владел или его ставил.