Фамилия Толганбаева — яркий пример фамилии, образованной по тюркской модели. Её основа — мужское имя Толганбай, которое в свою очередь сложено из двух частей: «толган» и «бай». «Бай» в тюркских языках означает «господин», «богач», «хозяин», часто входило в состав имён как пожелание богатства и статуса. Первая часть — «толган» — более многозначна. Самая вероятная версия: это причастие от глагола «толу» — «наполняться», «быть полным». Тогда Толган — «наполнившийся», «достигший полноты», а Толганбай — «богач, достигший полноты (благополучия)». Менее распространённая, но возможная трактовка связывает «толган» с диалектным значением «круглый», «оборотень» (от «толга» — «кружиться»), что могло быть прозвищем по характеру или внешности.

Суффикс «-ева» в фамилии Толганбаева — это не русский патронимический суффикс, а адаптированный вариант тюркского притяжательного аффикса. В казахской, башкирской, татарской традициях фамилии на «-ев/-ова» образуются от имён отцов: Толганбаев — буквально «сын Толганбая». Форма Толганбаева (женская) указывает на принадлежность к роду или семье. То есть перед нами типичная фамилия-патроним, закреплённая за потомками человека по имени Толганбай.

Географически фамилия тяготеет к регионам расселения тюркских народов: Казахстан, Башкортостан, Татарстан, Оренбургская и Астраханская области России. Встречаемость её невысока, что говорит о локальном происхождении — скорее всего, родоначальник был известен в пределах одного аула или волости. В дореволюционных метрических книгах и ревизских сказках фамилия почти не фиксируется: тюркские народы массово получили фамилии лишь в 1920–1930-е годы в ходе паспортизации, когда имя отца (Толганбай) было записано как фамилия для всех членов семьи.

Одно из отличий фамилии Толганбаева от, скажем, однокоренной Толганов — сохранение полной структуры имени-основы. Толганов образован от усечённой формы Толган, а Толганбаев — от двусоставного имени с пожелательной частицей «бай». Это указывает на то, что предок носителя фамилии, вероятно, был человеком заметным в общине: имя с компонентом «бай» давали не каждому, а тому, в ком видели задатки лидера или состоятельного хозяина. Социальный статус первых Толганбаевых, скорее всего, был средним или выше среднего — скотоводы, земледельцы, возможно, мелкие старшины.

Если разбирать фамилию по звуковому составу, обращает на себя внимание сочетание «нг» — оно характерно для казахского и киргизского языков (сравните: Толганбай, Донганбай). В татарском и башкирском чаще встречается форма Тулганбаев (с «у» в первом слоге). Таким образом, написание через «о» (Толганбаева) указывает на казахское происхождение или на запись фамилии русским чиновником, который передал звук «о» на слух, не различая тюркской гармонии гласных.