Фамилия Улугбаева образована от мужского имени Улугбай — сложного тюркского составного имени. Первая часть восходит к древнетюркскому «улуг» — «великий, большой, старший». Вторая часть — «бай» — в тюркских языках означает «господин, хозяин, богатый человек». В целом имя Улугбай можно перевести как «великий господин» или «старший хозяин». Такие имена давали мальчикам с пожеланием авторитета, уважения и достатка.

Фамилия образована по русской словообразовательной модели: к основе имени Улугбай добавили суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягкого или йотированного окончания основы), а затем — окончание -а, указывающее на женскую линию. По мужской линии фамилия звучит как Улугбаев. Такая модель типична для фамилий, возникших у народов Поволжья, Средней Азии и Кавказа под влиянием русской административной системы в XIX–XX веках.

Географически фамилия Улугбаева встречается преимущественно в Узбекистане, Кыргызстане, Казахстане, а также среди татар и башкир в России. Встречается она реже, чем однокоренные фамилии вроде Улугбеков или Улугходжаев, что говорит о её более локальном бытовании.

Стоит отметить, что имя Улугбай исторически не было именем знати или правителей — оно бытовало скорее среди зажиточных крестьян, ремесленников и торговцев. В отличие от имён с компонентом «бек» (князь, властитель), «бай» указывало на социальный статус, а не на аристократическое происхождение. Поэтому предки носителей фамилии Улугбаева, скорее всего, были состоятельными, но не родовитыми людьми — купцами, владельцами земли или скота.

Написание фамилии устойчиво: через «е» в суффиксе. Вариант Улугбаева закрепился в паспортной системе, хотя в старых записях могла встречаться форма Улукбаева (с оглушением «г» перед «б»), что отражает живое произношение в ряде тюркских диалектов.