Фамилия Тимирбаев — яркий пример тюркского именования, которое почти дословно переводится на русский язык. Её основа — составное мужское имя Тимирбай, где первая часть «тимир» (в разных тюркских языках — темир, тимер, демир) означает «железо», а вторая — «бай» («господин», «богач», «хозяин»). Таким образом, имя Тимирбай буквально значит «железный господин» или «крепкий, как железо, богатырь». Родители, называя так сына, вкладывали пожелание несокрушимого здоровья, твёрдости характера и будущего благополучия.

Фамилию образовали по стандартной русской модели: к основе Тимирбай добавили патронимический суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягкого согласного). В результате Тимирбаев — это «сын Тимирбая». Такая схема характерна для фамилий, которые возникли у тюркских народов в XIX–XX веках, когда при переписях и паспортизации отчества и имена превращали в наследственные фамилии.

Интересно, что имя Тимирбай и его варианты (Темирбай, Демирбай) широко распространены у башкир, татар, казахов, ногайцев и других тюркских народов. Поэтому и фамилия Тимирбаев не привязана к какому-то одному региону — её носители встречаются и на Урале, и в Поволжье, и в Казахстане. При этом написание с буквой «и» в первом слоге (Тимирбаев, а не Темирбаев) чаще указывает на башкирскую или татарскую языковую среду, где гласный в слове «тимер» произносится ближе к «и».

В русских документах фамилия закрепилась без изменений, хотя в оригинале ударение, скорее всего, падало на последний слог — Тимирба́й. В русском языке ударение часто смещается на суффикс: Тимирба́ев. Сословного барьера у фамилии не было — её могли носить и крестьяне, и купцы, и воины. Главное, что имя-основа говорило о силе и уважении, а значит, предки современного носителя фамилии, по всей видимости, были людьми заметными в своей общине.