Фамилия Тулябаев — яркий пример фамилии тюркского происхождения, образованной по русской модели. Её основа — личное тюркское имя Тулябай, которое, в свою очередь, сложилось из двух частей: «туля» (от слова «тулы» — полный, совершенный) и «бай» (богач, хозяин, господин). Таким образом, имя Тулябай в буквальном смысле означало «полный (совершенный) богач» или «богатый и полноценный». Это не столько указание на реальное материальное положение, сколько имя-пожелание: родители желали сыну жизни в достатке и без изъяна.

Словообразовательная модель фамилии — типичная для русской ономастики XVII–XIX веков: к тюркскому имени Тулябай добавили русский патронимический суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягкого согласного). Так образовалось притяжательное прилагательное «Тулябаев», отвечавшее на вопрос «чей?» и означавшее «сын Тулябая». Со временем это слово закрепилось как наследственная фамилия.

В отличие от многих фамилий с основой «бай» (Байков, Баймурзин), здесь первая часть «туля» встречается реже. Это делает фамилию регионально маркированной. Вероятнее всего, она зародилась в среде татар, башкир или других тюркских народов Поволжья и Приуралья — именно там были распространены составные имена с компонентом «бай». Встречается она и у казахов, но с более поздним закреплением через русское делопроизводство.

Сословно носители фамилии, скорее всего, относились к крестьянам или мещанам. Имена-пожелания вроде Тулябай давали в простонародной среде, а дворянские роды обычно образовывали фамилии от полных арабских или персидских имён. Какого-либо знаменитого исторического деятеля с этой фамилией в открытых источниках не зафиксировано — это «тихая» фамилия, сохранившая память о далёком предке, которого звали Тулябай.