Фамилия Толумбаева образована по самой распространённой в русском языке модели — с помощью суффикса принадлежности -ев (женский вариант -ева). В основе лежит мужская фамилия Толумбаев, которая, в свою очередь, восходит к прозвищу или нецерковному имени Толумбай.

Корень «толум-» с высокой вероятностью имеет тюркское происхождение. В ряде тюркских языков (татарском, башкирском, казахском) слово «толым» (tulım) означает «полнота», «обилие», «достаток», а также «полный, упитанный». Компонент «-бай» — один из самых распространенных в тюркской ономастике: он означает «богатый», «хозяин», «господин». Таким образом, имя Толумбай можно перевести как «богатый достатком» или «полный хозяин». Такие имена давали с пожеланием благополучия и сытой жизни.

Фамилия Толумбаева характерна для регионов Поволжья и Урала, где исторически проживают тюркские народы (татары, башкиры), а также для Казахстана. В русскую фамильную систему она вошла через взаимодействие культур: при крещении или переходе в православие носители имени Толумбай получали фамилию с русским суффиксом -ев. Важно отметить, что суффикс -ев, а не -ов, указывает на то, что основа оканчивалась на мягкий согласный или на «й» (Толумбай → Толумбаев).

В отличие от многих фамилий, образованных от названий профессий или занятий, Толумбаева не указывает на конкретное ремесло предка. Она говорит о его личном имени или прозвище, которое, скорее всего, давалось при рождении и отражало надежды родителей на будущее ребенка. Встречаются варианты написания с одной «б» — Толумаева, но форма с двойной «б» (Толумбаева) является исторически более точной, так как сохраняет структуру исходного тюркского имени. Среди однокоренных фамилий можно назвать Толумбаев, Толумбеков, где второй компонент — «бек» (князь, господин).