Фамилия Тиллябаев — яркий пример того, как тюркское имя и арабское заимствование сплелись в русской фамильной модели. Основа здесь — составное мужское имя Тиллябай. Первая часть, «тилля» (иногда «тилла»), восходит к арабскому «тилла» — золото. В тюркских языках это слово закрепилось как «золотой», «драгоценный». Вторая часть — «бай», тюркский титул, означающий «господин», «богач», «хозяин». В дореволюционной Средней Азии «бай» — это состоятельный человек, землевладелец или купец. Имя Тиллябай, таким образом, можно перевести как «золотой господин» или «драгоценный богач». Родители давали такое имя с пожеланием сыну богатства, удачи и высокого положения.

Фамилия образована по русской модели с патронимическим суффиксом -ев, который присоединяется к основам на мягкий согласный или на -й. В данном случае к имени Тиллябай (где конечный «й» смягчает основу) добавили -ев, получив Тиллябаев. Это стандартный способ русификации тюркских фамилий в XIX–XX веках. Встречается и вариант Тиллябаев с двойным «л», но он менее распространён и обычно отражает особенности произношения в конкретном диалекте.

Географически фамилия привязана к регионам, где жили узбеки, казахи, каракалпаки и другие тюркские народы. Наибольшая концентрация носителей — в Узбекистане, особенно в Ташкентской, Самаркандской и Ферганской областях. В России фамилия встречается среди потомков мигрантов из Средней Азии, а также в татарской и башкирской среде, где имя Тиллябай тоже было в ходу, хоть и реже, чем, например, Алтынбай (с тем же значением «золото»).

Словообразовательная модель Тиллябаев интересна тем, что она не укладывается в типичные русские фамилии на -ов/-ев от прозвищ или профессий. Это чистый патроним от полного имени, а не от уменьшительной формы. В отличие от фамилий вроде Тилляев (от одного корня «тилля»), Тиллябаев сохраняет двусоставную структуру, что прямо указывает на социальный статус предка — он был баем. В среде оседлых земледельцев и ремесленников такие фамилии встречались реже, чем у скотоводов и торговцев, где титул «бай» имел реальный вес.

Других версий происхождения, заслуживающих серьёзного рассмотрения, нет. Связь с тюркским «тил» (язык) маловероятна: в этом случае фамилия выглядела бы как Тильбаев или Тилбаев, без удвоения «л» и с другим значением. Корень «тилля» в значении «золото» — основной и бесспорный. Фамилия Тиллябаев — это, по сути, краткая биография предка: его звали Золотым Хозяином, и это имя закрепилось за родом.