Фамилия Атымбаева происходит от мужского имени Атымбай, и её корни уходят в казахскую и тюркскую среду. Имя Атымбай составное: первая часть восходит к слову «атым», которое имеет два основных значения — «имя, звание» (от казахского «ат») и «конь». Вторая часть — «бай», то есть богатый, господин, уважаемый человек. Отсюда возникает двойная смысловая опора: имя могли понимать и как «богатый именем» (знаменитый, прославленный человек), и как «владелец доброго коня». Какой из смыслов вкладывался в конкретном роду, сегодня точно не установить — оба варианта равноправны и отражают разные стороны кочевого быта.

Сама фамилия Атымбаева — женская форма, образованная от мужской Атымбаев по модели, типичной для многих тюркских народов. К основе имени добавили русский суффикс -ев (в женском роде -ева). Этот суффикс закрепился в документах ещё в Российской империи, а затем перешёл в советские паспорта. В традиционной казахской среде фамилий в современном смысле не было: использовали родовые имена и отчества, например Атымбай-улы (сын Атымбая). После русификации такие имена превратились в фамилии с окончанием -ев/-ова.

География фамилии сосредоточена в Казахстане, особенно в южных и западных областях — Кызылординской, Туркестанской, Мангистауской. Встречается она и среди казахов, живущих в России, например в Астраханской и Оренбургской областях, но там это следствие переселений, а не исконного бытования.

Социальный статус предков, носивших это имя, скорее всего, был связан со скотоводством или мелкой знатью. Компонент «бай» указывает на достаток и уважение, но не на аристократический титул. В XIX — начале XX века люди с таким именем могли держать табуны лошадей или славиться в округе своим влиянием.

В русском языке фамилия склоняется по падежам: Атымбаевой, Атымбаеву. Однако в казахской среде её часто воспринимают как неизменяемую родовую метку и не склоняют. Поскольку имя Атымбай не является уникальным, фамилия встречается у нескольких неродственных родов, поэтому восстановить точное генеалогическое древо можно только с привязкой к конкретному региону.