Фамилия Юлбаев звучит редко и не сразу угадывается по корню. В ней нет привычного славянского суффикса, зато есть характерный тюркский формант -ев, который в Поволжье и на Урале часто присоединяли к именам и прозвищам нерусского населения. Основа фамилии — личное имя Юлбай.

Юлбай — сложное тюркское имя. Первая часть «юл» в башкирском, татарском и казахском языках означает «дорога», «путь». Вторая часть «бай» — «богатый», «хозяин», «господин». В буквальном смысле Юлбай — «богатый дорогой» или «хозяин пути». Однако в ономастике такие имена часто имели обережный или пожелательный смысл: родители надеялись, что у ребёнка будет удачная, широкая дорога в жизни, или же он станет покровителем путников. Реже «юл» может восходить к диалектному «йол» — «год», но версия с «дорогой» выглядит убедительнее, поскольку имя Юлбай фиксируется в башкирских родословных.

По модели образования фамилия Юлбаев — типичная для тюркских народов России: к имени Юлбай добавили русский патронимический суффикс -ев, который заменил местный аффикс принадлежности (-лы, -ны). Так в XIX веке, при переписях и в документах, башкирские, татарские и мишарские имена превращались в фамилии. Носители фамилии Юлбаев, скорее всего, происходят из башкирских или татарских крестьян, реже — из казахов, живших в Оренбургской или Уфимской губерниях.

Географически фамилия сегодня встречается в Башкортостане, Татарстане, а также в Оренбургской и Челябинской областях. Известный носитель — башкирский поэт и драматург Равиль Юлбаев, что косвенно подтверждает башкирские корни фамилии. Встречаются варианты написания Юлбай — без суффикса, как исходное имя, но в качестве фамилии закрепилась именно форма Юлбаев.