Фамилия Улукшаева — редкий пример, где тюркская основа соединилась с русским патронимическим суффиксом, но не напрямую. Её ядро — мужское личное имя Улукша, которое, скорее всего, восходит к двум тюркским корням: «улу» (великий, старший) и «ша» (сокращённая форма от «шах» — властелин, правитель). В сумме имя Улукша можно перевести как «великий правитель» или «старший из князей». Такие имена давали в знак уважения или с пожеланием высокого положения, особенно в среде тюркских народов Поволжья и Средней Азии — татар, башкир, казахов.

Суффикс «-ев» в фамилии Улукшаева образован по русской модели отчества: сначала закрепилась форма Улукшаев (чей? — сын Улукши), а затем к ней добавили окончание женского рода. Это типичная история для фамилий, возникших в XIX веке, когда у тюркских народов, принявших православие или живших в смешанных регионах, начали оформлять фамилии по русскому образцу. Интересно, что суффикс «-ев» присоединили не к основе Улукш-, а к полному имени Улукша, что встречается реже — обычно отсекали конечный гласный (сравните: Якуб — Якубов, а не Якубаев). Здесь же гласный «а» сохранили, что говорит о поздней и, возможно, письменной фиксации фамилии, когда имя уже воспринимали как цельное.

Географически фамилия Улукшаева почти наверняка привязана к Волго-Уральскому региону или Западной Сибири, где исторически жили татары и башкиры. Встречается она редко, и это не случайно: имя Улукша не было распространённым, в отличие от более частых Улугбек или Улукман. Носители фамилии, вероятно, происходят из одного или нескольких близких родов, где это имя передавалось как родовое прозвище. Других версий происхождения, например от географического названия или профессии, нет — корень прозрачно указывает на личное имя, и альтернативные гипотезы были бы натяжкой.