Фамилия Атымтаев — редкий случай, когда в основе лежит не имя и не профессия, а, скорее всего, тюркское прозвище, связанное с хозяйством. Чтобы это увидеть, достаточно разбить слово на части: Атымтай + суффикс -ев. Суффикс указывает на русскую модель оформления фамилий у тюркских народов (казахов, татар, башкир), где к именам добавляли -ов или -ев. Сама основа «Атымтай» — сложная: «атым» и «тай».

Первая часть «атым» (от тюркского «ат» — конь, лошадь) может означать «конный», «всадник», а также «имя» (в тюркских языках омонимия). Вторая часть «тай» — распространенный аффикс в тюркской антропонимии, уменьшительно-ласкательный, как «жеребенок» или «детеныш». Вместе «Атымтай» можно перевести как «мой конек» или «жеребенок по имени». Скорее всего, это было ласковое прозвище человека, который любил лошадей, хорошо с ними обращался или даже держал табун.

Менее вероятная, но возможная версия: имя Атымтай могло быть образовано от глагола «ату» (стрелять) — то есть «стрелок». Однако в контексте фамилий Казахстана и Средней Азии «конная» версия встречается чаще, так как лошадь была основой быта кочевников.

Географически фамилия Атымтаев привязана к южным регионам Казахстана (Кызылординская, Туркестанская области) и к Оренбуржью в России. Носители — потомки казахов, которые в XIX — начале XX века при переходе к оседлости и получении паспортов получили фамилию по имени или прозвищу родоначальника. Сословно это были «черные кости» (простые скотоводы), а не аристократы-чингизиды.

В русском языке фамилия сохранила тюркское звучание без изменений, что подчеркивает её позднюю фиксацию в документах — уже в советское время, когда искажения имён при записи стали редкостью. Однокоренных фамилий в России почти нет, что делает Атымтаева маркером конкретного рода из казахского жуза.