Фамилия Тюлькибаев с большой вероятностью имеет тюркское происхождение. Её основа — личное имя или прозвище Тюлькибай, которое состоит из двух частей: «тюльки» и «бай». Первая часть восходит к тюркскому слову «тюльке» (в разных диалектах — түлкі, төлкі), что значит «лиса». Вторая часть — «бай» — в прошлом обозначала богатого, уважаемого человека, хозяина, господина, а в именах часто служила пожеланием богатства и знатного положения. Таким образом, имя Тюлькибай можно перевести как «богатый, как лиса» или «лисий бай» — скорее всего, прозвище подчёркивало хитрость, ловкость или рыжеватый цвет волос его обладателя.

Суффикс -ев в конце фамилии — типичный русский патронимический формант, который присоединяли к тюркским основам при русификации. Модель образования простая: от имени Тюлькибай через форму «Тюлькибаев сын» закрепилась фамилия Тюлькибаев. Такая схема характерна для многих тюркских фамилий, которые оформились в XIX — начале XX века, когда проводилась массовая запись нерусского населения в метрики и переписи.

Фамилия встречается в основном среди башкир, татар и казахов. В Башкортостане и соседних регионах она нередка, что подтверждается данными переписей и телефонных справочников. У башкир имя Тюлькибай (Төлкөбай) известно как старинное родовое имя, и фамилия могла закрепиться за целым родом или деревней. Есть также версия, что корень «тюльки» может быть связан с диалектным вариантом имени Дульки (от арабского «зульфикар» — меч), но это менее убедительно, так как фонетика и география бытования указывают на «лисье» значение.

Сословная принадлежность предков Тюлькибаевых, скорее всего, была крестьянской или казачьей (у уральских казаков встречались тюркские фамилии). В дворянских родословных книгах эта фамилия не отмечена. В советское время фамилия не меняла форму, так как была уже полностью русифицирована. Сегодня носители фамилии живут не только в Поволжье и на Урале, но и в крупных городах России, куда переезжали в XX веке.

Редкость фамилии в том, что её основа — не просто «лиса», а именно составное имя с пожелательной частицей «бай», что делает её не простым прозвищем, а именем-оберегом или именем-характеристикой. Такие имена давали, чтобы ребёнок перенял качества зверя, но при этом был уважаем в обществе.