Фамилия Тобылбаев — нечастая, с ясной тюркской основой и типичным для южнорусских и казахских степей суффиксом. Разбирать её стоит с корня «тобыл», который отсылает к названию растения.

Основа «тобыл» — это тюркское название таволги, кустарника, широко распространённого в степной и лесостепной зоне Евразии. В казахском, башкирском, татарском языках слово «тобыл» (или «тубылгы») означает именно это растение. Фамилия, таким образом, образована от прозвища, которое могли дать человеку по месту жительства («живущий у таволги») или по роду занятий (например, заготовщик лозы или корзинщик). Суффикс «-бай» — один из самых продуктивных в тюркской антропонимии. Он восходит к слову «бай» — богатый, господин, хозяин. В составе личных имён и фамилий он часто выполнял функцию усилителя или пожелания: «Тобылбай» — буквально «таволга-богач», но на деле это типичное составное имя, где вторая часть указывает на состоятельность или знатность, а первая — на связь с природным объектом. Фамилия Тобылбаев образована от этого имени по русской модели: к основе на согласный добавили суффикс «-ев», что характерно для русификации тюркских фамилий в XIX–XX веках.

Встречается фамилия преимущественно у казахов и у татар, особенно в Западном Казахстане, Оренбургской и Астраханской областях. В дореволюционных документах могли фиксировать варианты «Тубылбаев» или «Тобылбаев», что связано с разными диалектными произношениями корня. Сословно носители фамилии, скорее всего, относились к казачьему или крестьянскому сословию, реже — к мелкой степной знати, если имя Тобылбай давалось в роду, где ценили коня и скот. Сравните с однокоренными фамилиями Тобылов, Тобылбаев, Тубылбаев — все они держатся на одном корне, но различаются суффиксальным оформлением. Тобылбаев — самая распространённая форма, так как она прямо наследует полное имя, а не сокращённое прозвище.