Фамилия Тухбатуллина — женская форма от мужской Тухбатуллин, а та, в свою очередь, образована от арабского имени Тукбатулла (в русской записи встречаются варианты Тукбатулла, Тохбатулла). Имя это составное: «тукбат» (или «тухбат») восходит к арабскому слову со значением «дар», «подарок», а «улла» — сокращённая форма «Аллах». В сумме имя означает «дар Аллаха», «Божий дар». По смыслу это полный аналог библейского имени Матвей (Матфей) и славянского Богдан.

Фамилия тюркского происхождения, но не татарская в узком смысле — она бытует у башкир, реже у казанских татар и в некоторых группах сибирских татар. Модель образования простая: к основе имени Тукбатулла добавили русский патронимический суффикс -ин, который в тюркских фамилиях закрепился в XIX веке при массовой записи в метрические книги и ревизские сказки. Суффикс -ин в этой фамилии указывает на принадлежность: «сын Тухбатуллы», «дочь Тухбатуллы».

В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые чаще образовывались от имён на согласный (Тухбатуллов был бы логичен, но не сложился), форма на -ин здесь — результат адаптации к русской модели склонения для имён, оканчивающихся на -а. То есть Тухбатулла → Тухбатуллин — по той же схеме, что Илья → Ильин, Никита → Никитин.

Географически фамилия концентрируется в Башкортостане, особенно в западных и южных районах, а также в соседних областях: Оренбургской, Челябинской, Самарской. Встречается и в Татарстане, но заметно реже. В дореволюционных записях можно найти написание через «о» — Тохбатуллин, что отражает окающее произношение в некоторых говорах.

Сословно предки носителей фамилии — скорее всего, государственные или ясачные крестьяне, реже — представители духовного сословия (муллы), поскольку имя Тукбатулла было распространено именно в среде мусульманского духовенства и образованных слоёв. Однако фамилия не элитарная: её носили и простые земледельцы, что подтверждается массовостью в сельских переписях XIX века.