Фамилия Толеубай — редкий случай, когда фамилия в русском контексте сохранила исходное казахское имя в почти нетронутом виде, без добавления типичных русских суффиксов (-ов, -ев, -ин). Это так называемая «окаменевшая» форма: в XIX–XX веках, когда у казахов начали фиксировать фамилии по русскому образцу, часть семей записали просто по имени предка, без переделки на «Толеубаев». Поэтому Толеубай — это не усеченный вариант, а полноценная фамилия, образованная от личного имени Толеубай.

Имя Толеубай составное, типичное для казахской антропонимики. Первая часть, «толеу», восходит к слову «төлеу» — плата, возмещение, долг. Вторая часть, «бай», означает богатый, хозяин, состоятельный человек. В буквальном переводе имя звучит как «богатый расплатой» или «щедрый на уплату долга». Однако в кочевой культуре такие имена нередко давали с обережным смыслом: считалось, что имя, связанное с долгом или платой, запутывает злых духов, которые якобы не смогут найти ребенка, чтобы наслать болезнь. Таким образом, Толеубай могло быть охранительным именем, данным младенцу, чтобы уберечь его от сглаза.

С точки зрения сословной принадлежности, фамилия Толеубай, скорее всего, не указывает на конкретное ремесло или род занятий. «Бай» в составе имени — это не столько реальное богатство, сколько пожелание или характеристика, а сам человек мог быть скотоводом, воином или торговцем. Географически фамилия встречается в основном среди казахов, особенно на юге и западе Казахстана, а также в приграничных районах России и Узбекистана. В русских документах XIX века носителей фамилии могли записывать как «Тулеубай» или «Толеубаев» — из-за неустойчивости передачи казахских звуков кириллицей.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Толеубай стоит особняком. Гораздо чаще встречается вариант Толеубаев, который образован по русской патронимической модели (чей? — Толеубаев). Наличие же фамилии без суффикса говорит о том, что в момент записи носитель или писарь посчитали имя самодостаточным. В современном русском языке такая фамилия не склоняется, если принадлежит мужчине, и склоняется по правилам женских фамилий на согласный (Толеубай — Толеубай).