Фамилия Астамбаева — женская форма фамилии Астамбаев, образованной от тюркского мужского имени Астамбай. Разбираем имя по составу: «Астам» и «бай». «Бай» в тюркских языках — статусный компонент, означающий «господин», «хозяин», «почтенный человек». Корень «Астам» восходит к арабскому слову «астам» (أصطم) — «упрямый», «непреклонный», «твёрдый». Имя Астамбай переводится как «упрямый господин» или «непреклонный хозяин»: скорее всего, это была характеристика характера или пожелание твёрдости духа.

Словообразовательная модель классическая для тюркских народов: личное имя (Астамбай) + русский патронимический суффикс -ев (в мужском варианте) и окончание -а для женского рода. Такая модель массово закрепилась в XIX—XX веках, когда у башкир, татар, казахов и других народов начали официально оформлять фамилии по русскому образцу. Фамилия Астамбаева однозначно указывает, что предок носителя был мужчиной по имени Астамбай.

Географически фамилия наиболее распространена в Башкортостане и Челябинской области — это указывает на башкирские или татарские корни. Встречается она и у казахов, но в казахской среде чаще фиксируется форма Астамбаев без фамильного суффикса -ев, а как Астамбайулы (Астамбаевич). В русской письменной фиксации фамилия могла записываться по-разному: через «о» (Остамбаева) или с удвоенной «м» (Астаммаева) — это связано с особенностями произношения в разных диалектах. Написание через «а» и с одной «м» является нормативным и самым частотным.

Сословно предки Астамбаевых, скорее всего, относились к категории тептярей или башкир-вотчинников — свободных крестьян или воинов, которые несли службу и платили ясак. Дворянских корней или знаменитых исторических личностей с этой фамилией в открытых источниках не зафиксировано, что типично для подавляющего большинства фамилий, образованных от личных имён. Фамилия Астамбаева — не история о знатном роде, а бытовая, живая память о конкретном человеке, которого в его окружении запомнили как твёрдого и самостоятельного хозяина.