Фамилия Тюлюмбаева принадлежит к пласту русских фамилий, которые на самом деле имеют тюркские корни, и её разговор лучше начинать с географии, а не с морфологии. Это фамилия, почти наверняка указывающая на происхождение из среды татар, башкир или казахов, где она встречается чаще всего. Основа фамилии — личное имя или прозвище Тюлюмбай (варианты: Тюлюм, Тюлямбай), которое образовано от тюркского корня «түлүм» или «төлөм» — в зависимости от диалекта это может означать «плата», «выкуп» или «доля». Вторая часть «бай» (богатый, хозяин) — распространённый компонент в тюркских именах, дававшихся с пожеланием достатка или как отражение социального статуса.

По словообразовательной модели фамилия оформлена по-русски: к основе Тюлюмбай добавлен суффикс -ев (вариант -ов после мягкого согласного), а окончание -а указывает на женскую форму. То есть Тюлюмбаева — это «дочь (или жена) Тюлюмбая». Мужской вариант — Тюлюмбаев. Такая модель типична для фамилий, которые русифицировались в XIX–XX веках, когда тюркские имена адаптировали через русские патронимические суффиксы.

Сам корень «тюлюм» — редкий и спорный. В ономастических работах по тюркским именам (например, у исследователя Г. Ф. Саттарова) встречается толкование «төлөм» как «дань» или «доля», что могло быть прозвищем сборщика податей или человека, получившего земельный надел. Другая версия связывает «тюлюм» с диалектным «түлүм» — «потомство», «род», тогда имя Тюлюмбай означало бы «богатый потомством» (желание многодетности). Третья, менее правдоподобная гипотеза, возводит фамилию к монгольскому «тулум» (мешок, бурдюк) — но это слишком далеко от бытования фамилии, и её можно отмести.

Географически фамилия Тюлюмбаева — не общерусская. Она сосредоточена в Поволжье (Татарстан, Башкортостан) и в Казахстане. В дореволюционных метрических книгах и ревизских сказках такая фамилия фиксируется среди тептярей и башкир Уфимской губернии. Социально носители фамилии чаще всего были крестьянами или мещанами, но встречались и среди служилых татар.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями — Тюлюкин, Тюляков, Тюлюмбаев — то Тюлюмбаева выделяется суффиксом -бай, который прямо говорит о личном имени, а не о прозвище по занятию. Это делает фамилию более прозрачной для этимологии, хотя точное значение корня «тюлюм» остаётся предметом дискуссий.