Фамилия Тулыбаев — тюркская по происхождению, и её разумнее всего анализировать с конца, с форманта -ев. Это русский патронимический суффикс, который присоединяли к тюркским именам при оформлении фамилий в среде крещёных или просто русифицированных народов Поволжья, Урала и Средней Азии. Сама основа — Тулыбай — представляет собой сложное личное имя.

В тюркских языках имя Тулыбай (варианты: Тулебай, Толебай) распадается на две части: «тулы» (или «туле») и «бай». Первая часть восходит к слову «толы» (полный, достаточный, сытый) или к глаголу со значением «исполняться», «завершаться». Вторая часть — «бай» (богач, хозяин, господин) — один из самых распространённых компонентов в тюркской антропонимии. Таким образом, имя Тулыбай в целом можно истолковать как «полный (достаточный) богач» или «богатство, которого довольно». Это имя-пожелание, типичное для кочевых обществ: родители желали сыну обеспеченной и благополучной жизни.

Интересна и возможная географическая привязка. Фамилия Тулыбаев наиболее характерна для башкир и татар, а также встречается у казахов. У башкир, например, имя Тулыбай фиксируется в шежере (родословных) ещё с XVIII века. Если предки носителя фамилии были башкирами, то, скорее всего, они относились к сословию тептярей или государственных крестьян — не к высшей знати, но и не к крепостным. У казахов же это имя чаще давали мальчикам в родовых группах, связанных с коневодством или скотоводством: «тулы» могло означать и «жеребёнок-сосунок» (в некоторых говорах), что добавляет прозвищный оттенок.

Есть и более редкая версия, связывающая основу с арабским словом «тула» (долгота, длительность) через исламскую традицию. Но она менее убедительна: компонент «бай» — чисто тюркский, и имя вряд ли составляли из арабской и тюркской половин без веской причины. Правдоподобнее считать Тулыбая исконным тюркским именем, которое при крещении (если речь о татарах-кряшенах или башкирах) просто получило русское окончание фамилии.

В написании фамилии возможны колебания: через «о» (Толыбаев) или через «у» (Тулыбаев). Форма с «у» чаще встречается в документах у башкир, а с «о» — у казахов, что отражает разницу в произношении гласных в этих языках.