Фамилия Толибаев — тюркская по происхождению, и её разбор стоит начать с корня. Основа здесь — мужское имя Толибай, которое в свою очередь сложено из двух частей: «толи» (от арабского «талиб» — ищущий, стремящийся, учащийся) и «бай» (тюркское — богатый, хозяин, господин). Таким образом, имя-прозвище означало «богатый знаниями» или «стремящийся к богатству», причём первое толкование более вероятно в среде, где ценили грамотность и религиозное образование. Суффикс -ев — это русский патронимический формант, закрепившийся при оформлении фамилии в документах. Он указывает на принадлежность: «Толибаев» — сын Толибая.

Географически фамилия Толибаев чаще всего встречается у народов, говорящих на тюркских языках: у казахов, узбеков, киргизов, а также у башкир и татар. В среде этих народов имя Толибай (в разных диалектных вариантах) было распространено, особенно в XIX — начале XX века. Это даёт основание полагать, что предки носителя фамилии жили в степной или предгорной зоне, занимались скотоводством или земледелием, но при этом имели тягу к учёбе — имя давали не случайно, а с надеждой на будущее ребёнка.

Словообразовательная модель Толибаев — типичная для русской передачи тюркских фамилий, но с одной особенностью. В отличие от фамилий на -ов, образованных от имён на согласный (например, Ахметов), здесь основа заканчивается на -ай, и суффикс -ев присоединяется к йотированному концу: Толибай → Толибаев. В самой тюркской среде фамилия могла бы звучать как Толибайулы (казахский вариант — «сын Толибая»), но в русском делопроизводстве закрепилась именно эта форма.

Спорных версий у фамилии немного. Иногда пытаются связать её с арабским «талиб» (студент медресе), но это прямое значение, а не альтернатива. Другая гипотеза — от «толы» (полный, достаточный) в некоторых тюркских языках, но она слабее, так как имя Толибай фиксируется именно с корнем «талиб» в словарях личных имён. Таким образом, наиболее правдоподобное объяснение: предок носителя фамилии был человеком, которого нарекли именем, подчёркивающим его устремлённость к знаниям и достатку.

Социальный контекст: фамилия Толибаев не относится к аристократическим. Она бытовала в среде простых кочевников и крестьян, которые при получении паспортов в XIX–XX веках получали фамилии по имени отца. Поэтому среди Толибаевых могли быть и муллы, и скотоводы, и ремесленники — имя не указывает на конкретное занятие, а лишь на личное качество родоначальника.