Фамилия Алемаев пошла от прозвища Алемай, которое в русских говорах, особенно южных и центральных, означало «обманщик», «плут» или «льстец». В. И. Даль фиксирует глагол «алеманить» — «плутовать, обманывать, льстить». Прозвище могло быть ироничным: его давали хитрому человеку или, наоборот, простодушному — в охранительных целях, чтобы «обмануть» нечистую силу.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Алемаев — «сын Алемая». Это типичная русская патронимическая фамилия, закрепившаяся в XV–XVII веках, когда отцовские прозвища переходили к детям. Корень «алем-» встречается и в фамилиях Алемасов, Алеманов, но Алемаев стоит особняком: огласовка «алемай» с суффиксом -ай (как в прозвищах Болтай, Кисляй) выдаёт именно разговорное, бытовое происхождение. Если Алемасов, вероятно, образован от тюркского имени (ср. Алимас), то Алемаев — чисто русская диалектная форма.

Фамилия редкая и локальная: встречается преимущественно в Поволжье и центральных регионах России, что совпадает с ареалом слова «алемай». Сословной привязки нет — прозвищные фамилии на -ев носили и крестьяне, и посадские, и мелкие служилые. Дворянских корней у Алемаевых не прослеживается. Носитель фамилии был потомком человека, которого в деревне знали как лукавого говорунья или умелого угодника, способного «подмаслить» кого надо. Сама фамилия сохранила живой отпечаток народной речи и бытовых нравов.