Фамилия Тимурбаева — женская форма фамилии Тимурбаев, которая образована по тюркской модели с компонентом «бай». Основа — мужское имя Тимур (в переводе с тюркских языков — «железо»). Вторая часть, «бай», в тюркской ономастике означает «господин», «богач», «хозяин», часто входила в состав имен как знак уважения или пожелание достатка. Таким образом, имя Тимурбай — «железный господин» или «богатый, как железо» — складывалось из двух значимых корней, и фамилия от него произошла через прибавление русского патронимического суффикса -ев (вариант -ов после мягкого согласного). В тюркских языках ударение в таких фамилиях обычно падает на последний слог, но в русской среде возможны колебания.

Фамилия распространена среди народов, где традиционны тюркские имена и компонент «бай»: у казахов, башкир, татар, а также у народов Северного Кавказа. Географически Тимурбаевы чаще встречаются в Казахстане, Башкортостане, Татарстане и в прилегающих регионах России. Судя по модели, фамилия не старинная аристократическая — она возникла в среде простых людей, крестьян и скотоводов, которые называли детей в честь качеств (твердость, сила) или в подражание именам знатных людей. Вариант написания через «е» (Тимурбаева, а не Тимурбаева с «ё») — обычная русификация, где суффикс -ев закрепился как стандартный.

Иногда фамилию ошибочно связывают с историческим завоевателем Тамерланом (Тимуром), но это неверно: имя Тимур было очень распространено, и фамилия Тимурбаева — массовая, а не единичная. Сравните с однокоренными фамилиями Тимуров, Темирбаев, Темирханов — все они восходят к одному корню «темир/тимур» (железо) и различаются только вторым компонентом или суффиксом. Встречаются также варианты написания с «и» и «е» в первом слоге (Темирбаева), что связано с диалектными особенностями произношения в разных тюркских языках.