Фамилия Тумбаева — женская форма, а мужская, Тумбаев, образована по стандартной русской модели с суффиксом -ев. Этот суффикс присоединяли к основам, оканчивающимся на мягкий согласный или на -й. В данном случае основа — Тумбай. Такая модель типична для фамилий, возникших от прозвищ или имён, которые в бытовой речи сокращали до формы на -ай, -яй: Тумбай, как, скажем, Копай (от копать) или Болтай.

Само прозвище Тумбай, скорее всего, восходит к тюркскому корню «тумба» — так в ряде тюркских языков называли бревно, колоду, чурбан. В переносном смысле «тумбой» или «тумбаем» могли прозвать человека грузного, медлительного, неповоротливого — по аналогии с тяжелым обрубком дерева. В русских говорах слово «тумба» тоже известно в значении «толстяк, увалень», что подтверждает возможное бытование такого прозвища в смешанной среде.

Вторая версия, менее вероятная, но допустимая: Тумбай — это искажённое от татарского или башкирского имени Думбай (Домбай), которое связывают с «домбай» — зубр, могучий зверь. Однако в фамилии сохранился глухой «т» в начале, что ближе к прозвищной основе, а не к имени собственному.

Географически фамилия Тумбаев встречается в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской области и в среде поволжских татар. Это указывает на тюркское происхождение, но не на дворянское — фамилия крестьянская или мещанская, типичная для тех, кто получил прозвище в быту и закрепил его за родом.

В словарях русских фамилий (например, у Б. Унбегауна) подобные модели на -ай/-яй разбираются как характерные для прозвищ, образованных от глаголов или существительных. Тумбаев — именно такой случай: прозвище по внешности или характеру, которое со временем стало фамилией.