Фамилия Тюльбаев — редкий случай, когда в основе лежит не русское, а тюркское слово, причём с довольно прозрачной внутренней формой. Её ядро — тюркское имя или прозвище Тюльбай, которое образовано сложением двух основ: «тюль» (тюл) и «бай». Первая часть восходит к слову «тюль» (тюл) — в ряде тюркских языков оно означает «мечта», «желание», «греза» (ср. казахское «тiл» — язык, но в диалектах встречается и «тюль» в значении «желание»). Вторая часть — «бай», широко распространённый компонент тюркских имён, означающий «богатый», «господин», «хозяин». Таким образом, Тюльбай — это «богатый мечтой» или «владеющий желанием», то есть имя-пожелание, которое давали ребёнку в надежде на удачу и исполнение замыслов.

Суффикс -ев в фамилии указывает на русскую модель патронимического образования: Тюльбаев буквально значит «сын Тюльбая». Это типичная для XVI–XVII веков схема, когда русские писцы и переписчики оформляли тюркские имена по правилам русской грамматики, добавляя притяжательный суффикс. Географически фамилия тяготеет к Поволжью и Приуралью — регионам с давними тюркскими и финно-угорскими контактами. Встречается она преимущественно у татар, башкир, а также у русских, чьи предки жили в смешанных поселениях Казанской, Уфимской и Оренбургской губерний.

Есть и альтернативная, менее вероятная версия: связь с диалектным русским словом «тюльба» — так в некоторых говорах называли мешок или узел с вещами. Тогда прозвище Тюльбай могло бы означать «носильщик» или «торговец с котомкой». Но против этого говорит тюркская структура имени: сочетание «тюль» + «бай» встречается в ономастиконе тюркских народов (например, у казахов есть имя Тілеубай, где «тілеу» — «желание»), а русское слово «тюльба» — редкое и локальное. Поэтому основная версия остаётся тюркской.

Фамилия не имеет отношения к французскому слову «тюль» (ткань) — это случайное созвучие. Встречается написание с одной «л» (Тюлбаев) и с буквой «ё» (Тюльбаёв), но нормативная форма — через «е». Социально носители фамилии в XIX веке чаще всего были государственными крестьянами или однодворцами, реже — купцами и мещанами. Дворянских родов с такой фамилией в гербовниках не зафиксировано.