Фамилия Тохтыбаев — редкий случай, когда основа почти наверняка выводится из тюркского личного имени, а суффикс однозначно указывает на географию и этническое происхождение носителя. Разберём её по частям.

Корень «Тохты» восходит к тюркскому имени Тохта (или Тохты). В разных тюркских языках это имя имеет прозрачную семантику: оно образовано от глагола со значением «останавливаться», «задерживаться», «стоять». В переносном смысле имя Тохта могло означать «стойкий», «устойчивый», «постоянный». Встречается также форма Тохтасын («пусть остановится») — имя-оберег, которое давали, чтобы злые силы или болезни «остановились» и не тронули ребёнка. Тохтыбаев, скорее всего, происходит от сокращённой или диалектной формы такого имени — Тохты.

Суффикс «-баев» — классический патронимический формант в тюркских фамилиях, особенно у тюркских народов Поволжья, Приуралья и Средней Азии: татар, башкир, казахов, ногайцев. «-бай» в составе имени или прозвища — древний тюркский титул, означавший «богач», «господин», «хозяин». В дореволюционную эпоху «бай» не обязательно указывал на реальное богатство — это могло быть пожелательное имя или прозвище. В сочетании с именем Тохты получаем «Тохты-бай» — «стойкий богач» или «постоянный хозяин». Фамилия Тохтыбаев, таким образом, означает «потомок Тохтыбая».

Географически фамилия Тохтыбаев тяготеет к башкирской и татарской среде, хотя встречается и у казахов. В русских документах XIX века такие фамилии часто фиксировались в Оренбургской, Уфимской и Казанской губерниях. Интересно, что в башкирском именослове есть имя Тохтабай — прямое соответствие основе фамилии. Это позволяет предположить, что фамилия образовалась не в русской канцелярии, а бытовала в устной форме как отчество задолго до того, как её записали в метрики.

Социальный контекст: носитель фамилии Тохтыбаев, скорее всего, происходил из среды тептярей или башкир-вотчинников, реже — из казанских татар. В сословном отношении это были государственные крестьяне или военно-служилое население (например, башкирские казаки). Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано — это стопроцентно крестьянская или мещанская фамилия, что типично для поздних тюркских фамилий, возникших в XIX веке.

Словообразовательная модель Тохтыбаев — не самая распространённая в русской ономастике, но очень типичная для тюркского ареала: личное имя + титул «бай» + русский суффикс принадлежности «-ев». Двойной тюркский элемент (корень и титул) и один русский формант — признак того, что фамилия оформилась уже после вхождения региона в состав Российского государства, когда появилась необходимость давать фамилии по русскому образцу.