Фамилия Тудыбаева — женская форма от Тудыбаев, а та, в свою очередь, образована от мужского имени или прозвища Тудыбай. Основа здесь необычная: слово «туды» в русских говорах — указательное наречие, означающее «в том направлении», «туда». В сочетании с тюркским компонентом «бай» (господин, богач, хозяин) получается прозвище, которое могло закрепиться за человеком, которого постоянно отправляли куда-то или который сам любил указывать направление. Впрочем, «туды» могло быть и частью составного имени, где вторая часть — «бай» — указывает на статус, а первая — на обстоятельство рождения или характер.

Словообразовательная модель типична для Поволжья и Приуралья: тюркское имя или прозвище на «-бай» (Ишбай, Уразбай, Туктабай) обрастало русским суффиксом «-ев», указывающим на принадлежность («чей сын?» — Тудыбаев). Фамилия Тудыбаева, таким образом, означает «дочь или жена Тудыбая». Поскольку суффикс «-бай» особенно распространён у башкир, татар и казахов, скорее всего, предки носительницы фамилии происходят из этих народов, живших в смешанных с русскими районах, где и возникла такая гибридная форма.

Географически фамилия редкая, встречается в основном в Челябинской, Оренбургской областях и в Башкортостане. В дореволюционных метрических книгах она почти не попадается, что указывает на её относительно позднее закрепление — вероятно, в XIX веке, когда крестьянам и башкирам-вотчинникам начали массово присваивать фамилии по отцам. В отличие от фамилий на «-ин» (Тудыбин), форма на «-ев» здесь говорит не о принадлежности матери, а о патрониме — имени отца.

Если сравнивать с однокоренными, то фамилия Тудыбаев стоит особняком: есть Тудысевы, Тудыновы, но все они образованы от разных вариантов того же корня «туды-». Интересно, что в некоторых русских говорах «тудыкать» означало «говорить «туды» вместо «туда»» — так могли прозвать человека с характерным произношением. В таком случае Тудыбай — это «бай, который тудыкает», то есть прозвище, данное русскими соседями тюркскому старшине или зажиточному хозяину за его манеру речи. Эта версия объясняет, почему в фамилии смешались русское наречие и тюркский титул: она родилась на языковом стыке.