Фамилия Атымтаева — яркий пример фамилии, образованной от полного тюркского имени, а не от прозвища или профессии. Её основа — мужское имя Атымтай (или Атымтай), которое состоит из двух частей: «атым» (выстрел, имя, данное при рождении) и «тай» (жеребёнок, а в переносном смысле — детёныш, молодой, а также уменьшительно-ласкательный суффикс). В тюркской ономастике «тай» часто добавляли к именам, чтобы подчеркнуть молодость, силу или как ласковое обращение. Таким образом, Атымтай могло означать «меткий стрелок» или «имя, данное при рождении», а в народной этимологии — «мой выстрел» или «мой малыш».

Модель образования фамилии проста: к основе Атымтай добавили русский патронимический суффикс -ев, который в тюркских фамилиях часто заменял окончание -ов после мягкого согласного. По правилам русской грамматики, конечный «й» в имени Атымтай перешёл в «ев», а затем к фамилии добавили женское окончание -а. Поэтому Атымтаева — это женская форма, а мужская — Атымтаев.

Географически фамилия Атымтаева/Атымтаев наиболее характерна для Казахстана и прилегающих регионов России, где сильно влияние казахского и других тюркских языков. Встречается она нечасто, что говорит о её локальном происхождении — скорее всего, от конкретного рода или аула, где жил уважаемый человек по имени Атымтай.

С точки зрения социальной истории, носители этой фамилии, вероятно, были кочевниками или полукочевниками, занимавшимися скотоводством, охотой или военным делом. Имя Атымтай могло быть дано мальчику, родившемуся после удачной охоты или набега, либо в знак того, что он станет метким стрелком. В отличие от многих русских фамилий, которые образовывались от крестильных имён или профессий, Атымтаева сохранила прямую связь с доисламским или раннеисламским тюркским именословом, где ценились качества воина и охотника.

С точки зрения лингвистики, фамилия интересна тем, что в ней сохранился древний тюркский корень «ат» (имя, лошадь, выстрел) в разных значениях. Однако в данном случае «атым» однозначно указывает на процесс выстрела или наречения имени, а не на коня, так как «тай» (жеребёнок) уже указывает на лошадиную тематику. Получается, что в одной основе соединились два разных корня, создав образ «стреляющего жеребёнка» или «именитого молодца» — типичный для тюркской поэтической традиции приём.