Фамилия Желтобрюк — один из тех случаев, когда прозвище говорит само за себя. В её основе лежит сложение двух слов: «жёлтый» и «брюхо» (в диалектной форме «брюк»). Такая модель образования типична для прозвищ, которые давали по внешнему признаку: яркой, заметной детали одежды или физической особенности. Человек с рыжеватым или светлым животом, либо носивший жёлтый кафтан, мог получить это прозвище мгновенно и на всю жизнь.

Словообразовательный разбор показывает, что фамилия застыла в форме чистой основы, без типичных русских суффиксов -ов, -ев или -ин. Это указывает на её украинское или южнорусское происхождение. В украинской ономастике имена-композиты (Жовтобрюх, Сивокоз, Кривоніс) — обычное дело. Фамилия Желтобрюк могла возникнуть в среде казачества или крестьянства Черниговщины, Полтавщины или Слобожанщины, где такие прозвища фиксировались как фамилии уже в XVII–XVIII веках.

Стоит отметить, что «брюк» — это не искажение, а диалектная форма слова «брюхо», распространённая в южных говорах. В северных и центральных областях России чаще говорили «брюхо», поэтому фамилии там образовывались иначе: Желтобрюхов, Желтобрюхин. Сравните с фамилией Толстобрюхов — аналогичная модель, но с «правильным» полногласием. А вот Желтобрюк — более архаичный, «прозвищный» вариант, который не подвергся вторичной русификации.

География фамилии сегодня довольно узкая. Желтобрюки встречаются в основном на юге России (Ростовская, Волгоградская области, Краснодарский край) и на востоке Украины. Встречаемость низкая, что говорит о локальном происхождении: вероятно, один род дал начало всем носителям. Никакого отношения к птице «желтобрюхая синица» или к рыбе фамилия не имеет — прозвище давали человеку, а не животному.

В сословном плане носители фамилии почти наверняка были крестьянами или казаками. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано — слишком прозрачное и «приземлённое» значение, чтобы стать аристократическим. Зато это делает её ценным свидетельством народной культуры: прозвище, данное за внешность, превратилось в фамилию, которую носят уже четвёртое-пятое поколение.