Фамилия Алембаева — женская форма от Алембаев, образованная по стандартной русской модели через суффикс -а, указывающий на принадлежность к роду: «дочь или жена Алембаева». Основа фамилии — составное тюркское или арабо-тюркское имя Алембай. Первая часть восходит к арабскому «алим» (знающий, учёный), вторая — «бай» (тюркское — хозяин, господин, богатый человек). Вместе имя означает «богатый знаниями» или «учёный господин». Такие имена с компонентом «бай» были широко распространены у башкир, татар, казахов и других тюркоязычных народов и указывали на достаток или уважаемое положение.

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

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

Словообразовательная модель проста и прозрачна: тюркское имя-композит плюс 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.