Фамилия Алембаева — вариант женского рода от мужской фамилии Алембаев. В русской традиции такие фамилии образуются через суффикс -а, указывающий на принадлежность к роду: Алембаева — «дочь или жена Алембаева».

Основа фамилии — тюркское или арабо-тюркское имя Алембай. Оно составное: «Алем» (от арабского «алим» — знающий, учёный, также может быть формой имени Алим) и «бай» (тюркское — хозяин, господин, богатый человек). Вместе Алембай — «богатый знаниями» или «учёный господин». Встречается у башкир, татар, казахов и других народов, говорящих на тюркских языках, где имена с компонентом «бай» были широко распространены и указывали на достаток или уважаемое положение.

Вероятнее всего, фамилия Алембаева закрепилась в среде крещёных татар или башкир, принявших православие, либо в смешанных русско-тюркских семьях. В документах XIX — начала XX века такие фамилии часто фиксировали по отцу: если отца звали Алембай, его дети в метриках записывались как Алембаевы. Женская форма — Алембаева — появляется в быту и официальных бумагах по той же схеме.

Среди носителей фамилии нет громких исторических фигур, известных за пределами локальных сообществ. Это редкая фамилия, и её география ограничена в основном регионами Поволжья и Урала — Башкортостаном, Татарстаном, Оренбургской и Челябинской областями. Встречается и в Казахстане, но реже.

Словообразовательная модель проста и прозрачна: тюркское имя-композит + русский патронимический суффикс -ев/ -ева. Никаких редких суффиксов или спорных корней здесь нет, что делает фамилию типичным примером адаптации тюркского имени в русскую антропонимическую систему.