Фамилия Тимирбаева — женская форма от мужской Тимирбаев. Её основа — тюркское составное имя Тимирбай, где «тимир» значит «железо» (в некоторых тюркских языках — «темир»), а «бай» — «хозяин», «господин», «богатый человек». Таким образом, имя переводится как «железный богатырь» или «крепкий, как железо, хозяин». У тюркских народов такие имена давали мальчикам с пожеланием силы, стойкости и несгибаемости, а компонент «бай» указывал на знатность или достаток.

Суффикс «-ев» в фамилии — типичный русский патронимический формант, который присоединяли к тюркским именам при оформлении фамилий в документах XIX–XX веков. Встречается и вариант Темирбаев (с «е» в первом слоге), что связано с диалектными различиями произношения в башкирском, татарском или казахском языках. В русской записи чаще закреплялся звук «и» как более привычный для письменной традиции.

Фамилия распространена среди башкир и татар, реже — у казахов. В Башкортостане и Татарстане она встречается в разных районах, а её носители — потомки людей, получивших имя Тимирбай. Сословно это могли быть как зажиточные крестьяне, так и представители служилого сословия, поскольку «бай» в тюркской среде не всегда означал крупного феодала — это мог быть просто уважаемый домохозяин.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Тимирбаев отличается от, скажем, Тимиргалиева или Тимиршина тем, что в основе лежит не арабское имя (как «Гали»), а чисто тюркское, без исламского компонента. Это указывает на более древний, доисламский пласт тюркской антропонимии, где человека называли не по святому, а по желаемому качеству — твёрдости, как у железа.