Фамилия Толбутдинов — редкая, с ярко выраженным тюркским следом. Её основа лежит в мусульманском именнике, а русское оформление указывает на позднюю адаптацию в среде татар, башкир или других народов Поволжья и Урала.

Разбор фамилии логичнее начать с конца: суффикс -ов — это типичный русский патронимический формант, который прикрепили к тюркскому имени при переходе в русскую систему фамилий. Ядро фамилии — Толбутдин. Это сложное имя арабо-персидского происхождения, где вторая часть -ддин (от арабского «дин» — вера, религия) встречается в десятках мусульманских имён (Гайнутдин, Шарафутдин, Валиудин). Первая часть Толбут- — спорная. Наиболее правдоподобная версия: это искажённое или диалектное произношение арабского имени Талха (или Тальхат), означающего «красивое дерево» или «акация». В тюркской среде имя Талха нередко получало местные фонетические варианты, вроде «Толбай» или «Толбут». Тогда «Толбутдин» можно понять как «Талха веры» — имя, данное в честь сподвижника пророка Мухаммеда, Талхи ибн Убайдуллаха, известного своей храбростью.

Менее вероятна версия, связывающая первую часть с тюркским глаголом «тол» (наполняться, быть полным). В этом случае «Толбутдин» могло означать «полнота веры», но такая конструкция менее типична для арабо-тюркской ономастики, где первая часть обычно личное имя.

Фамилия Толбутдинов почти наверняка сложилась не ранее середины XIX века, когда у татар и башкир начался массовый процесс закрепления фамилий. Носители фамилии были, скорее всего, крестьянами или ремесленниками из татарских или башкирских деревень, чьи предки носили имя Толбутдин. Встречается она в основном в Башкортостане, Татарстане и Оренбургской области — на территориях, где пересекались тюркские и исламские традиции. Других, нерусских вариантов написания (вроде Толбутдиновъ) в дореволюционных источниках не зафиксировано, что подтверждает её позднее оформление.