Фамилия Тымбаев — довольно редкая, и её происхождение напрямую связано с тюркскими языками. В основе лежит личное имя или прозвище Тымбай. Разберём его по частям: корень «тым» в тюркских наречиях может означать «ровный», «спокойный», «тихий», а в некоторых диалектах — «прямой» или «верный». Вторая часть «-бай» — это распространённый тюркский титул или компонент имени, означающий «богатый», «господин», «хозяин». Таким образом, имя Тымбай могло означать «спокойный богач» или «верный господин», но чаще всего это было пожелательное имя: родители надеялись, что сын вырастет уравновешенным и состоятельным человеком.

Суффикс «-ев» указывает на русскую модель образования фамилий от тюркских основ. Он присоединялся к именам, оканчивающимся на согласный, и означал принадлежность: «Тымбаев» — буквально «сын Тымбая» или «из рода Тымбая». В русскую ономастику такие фамилии вошли в XVI–XVII веках, когда тюркские народы (татары, башкиры, чуваши) активно контактировали с русским государством, а их представители нередко переходили на русскую службу и получали земельные наделы.

Географически фамилия Тымбаев чаще всего встречается в Поволжье и на Урале — в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской и Челябинской областях. Это зона расселения татар и башкир, где тюркские имена органично влились в русскую фамильную систему. Встречаются и варианты написания — Тымбаев и реже Тымбай, но последний почти не сохранился как фамилия, оставшись скорее в виде имени.

Социальный состав носителей фамилии был пёстрым. В основном это были крестьяне и ясачные люди (платившие дань), но встречались и служилые татары, которые за службу получали поместья. Никаких однозначных указаний на дворянство или высокое сословие у фамилии нет — она осталась преимущественно крестьянской и мещанской. Известных исторических личностей с фамилией Тымбаев не зафиксировано, что только подтверждает её народное, «низовое» происхождение.