Фамилия Тулеубаева — почти стопроцентный маркер казахского или башкирского происхождения, причём с чёткой географической привязкой к Западному Казахстану и прилегающим районам России. Основа фамилии — мужское имя Тулеубай, которое состоит из двух тюркских корней: «түлеу» (казах. «платить», «возмещать», а в переносном смысле — «отдавать долг» или «совершать обряд») и «бай» («богач», «хозяин», «господин»). Имя Тулеубай в прошлом давали ребёнку, родившемуся после долгого ожидания или после смерти предыдущих детей — как бы «выкупленному», «отплаченному» судьбой. Встречается и другая трактовка: «түлеу» может означать «линять» (о животных), но для имени этот вариант маловероятен.

Фамилия образована по русской патронимической модели: к основе Тулеубай добавили суффикс -ев (после мягкого «й» он даёт -ев, а не -ов) и окончание -а, указывающее на женский род. В казахской среде фамилии часто записывали в русифицированной форме ещё в XIX — начале XX века, при переписях и выдаче паспортов. Мужской вариант — Тулеубаев — встречается чаще, но женская форма Тулеубаева закрепилась как официальная фамилия потомков по мужской линии.

Однокоренных фамилий в том же ареале немало: Тулебаев, Тулегенов, Тулепов. Все они восходят к именам с корнем «түле-», но различаются вторым компонентом. Тулеубаева выделяется именно сочетанием с «бай», что подчёркивало достаток или статус предка, носившего это имя. В дореволюционных документах можно встретить написание «Тулеубаева» через «ё» или с буквой «ы» в первом слоге — «Тулыубаева», но это локальные варианты, не меняющие этимологии.

Социально фамилия не элитарная: «бай» в казахских именах не всегда означал реальное богатство, часто это был пожелательный элемент. Предки Тулеубаевых, скорее всего, были скотоводами или мелкими землевладельцами в степных регионах. В советское время фамилия получила широкое распространение благодаря паспортизации и миграциям, но до сих пор сохраняет чёткую региональную привязку к Актюбинской, Западно-Казахстанской областям и Башкортостану.