Фамилия Толышбаев — редкий случай в русском ономастиконе, где тюркская основа почти не замаскирована славянским суффиксом. Носитель такой фамилии почти наверняка имеет корни в казахской, башкирской, татарской или каракалпакской среде. Фамилию образовали по стандартной для Российской империи модели: к тюркскому имени или прозвищу Толышбай прибавили русский патронимический суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягкого согласного). Получается буквально: «сын Толышбая».

Разбираем основу. Толышбай — составное имя, распространённое у тюркских народов. Первая часть «толыш» восходит к глаголу со значением «наполняться», «становиться полным», «завершаться». В переносном смысле — «достигший полноты», «зрелый», «законченный». Вторая часть «бай» — титул «богач, хозяин, господин», в именах часто играет роль усилителя: «вполне состоявшийся», «полновесный господин». Имя могли дать ребёнку, родившемуся в срок, крепкому, или как пожелание богатой, полной жизни.

География фамилии указывает на западный Казахстан и прилегающие области России. Встречается среди казахов Младшего жуза, а также у башкир и татар. В документах XIX века Толышбаевы — это чаще всего скотоводы или крестьяне, получившие фамилию при первой переписи по имени отца. Интересная деталь: в некоторых говорах «толыш» могло означать не только полноту, но и «упитанность», так что прозвище Толыш мог получить и человек плотного телосложения, но это менее вероятно, чем имя-пожелание.

С точки зрения словообразования фамилия интересна тем, что сохранила начальное «т» в основе, тогда как в некоторых однокоренных фамилиях (Долышбаев) произошло озвончение под влиянием русского произношения. Вариант Толышбаев — более архаичный и близкий к исходному тюркскому звучанию. Встречаются также написания с «и» после «ш» — Толышибаев, но это уже поздняя канцелярская вариация.