Фамилия Атымбаева — женская форма фамилии Атымбаев, и её происхождение ведёт в казахскую и тюркскую среду. Основа фамилии — мужское имя Атымбай, которое состоит из двух компонентов: «атым» (от казахского «ат» — имя, звание, а также конь) и «бай» (богатый, господин, уважаемый человек). Таким образом, имя Атымбай можно перевести как «богатый именем», «знаменитый бай» или «владелец доброго коня» — в зависимости от того, какой смысл вкладывался в корень «атым» в конкретном роду.

Модель образования фамилии типична для тюркских народов: к основе прибавляется русский суффикс -ев (в женском роде -ева), который закрепился в документах Российской империи и советских паспортах. В самой казахской традиции фамилий в современном понимании не было, а использовались родовые имена и отчества: Атымбай-улы (сын Атымбая). После русификации многие такие имена превратились в фамилии с окончанием -ев/-ова.

Фамилия Атымбаева распространена прежде всего в Казахстане, особенно в южных и западных областях (Кызылординская, Туркестанская, Мангистауская). Встречается она и среди казахов, живущих в России (Астраханская, Оренбургская области), но там это скорее следствие переселений.

С точки зрения социального статуса, предки носителей фамилии, скорее всего, относились к скотоводам или мелкой знати — «бай» указывает на достаток, но не на аристократический титул. В XIX — начале XX века это была фамилия людей, которые держали табуны лошадей или славились в округе своим именем, влиянием.

В русском языке фамилия склоняется: Атымбаевой, Атымбаеву, но в казахской среде её часто не склоняют, воспринимая как неизменяемую родовую метку. Учитывая, что имя Атымбай не является особенно редким, фамилия встречается у нескольких неродственных родов, поэтому точное генеалогическое древо можно восстановить только по конкретному региону.