Фамилию Атымтаева стоит рассматривать в паре с мужской формой Атымтаев — это классический пример, когда тюркское личное имя перешло в русскую фамилию через суффикс -ев. В основе лежит мужское имя Атымтай, распространённое в казахской среде. Разберём его по составу: первая часть «атым» восходит к тюркскому корню «ат» — «имя» или «выстрел». В контексте имён «атым» чаще означало «наречение имени» или сам акт выстрела, что отсылает к воинской или охотничьей культуре. Вторая часть «тай» — это «жеребёнок», а в переносном смысле уменьшительно-ласкательный суффикс, указывающий на молодость, детёныша. В тюркской ономастике «тай» добавляли к именам, чтобы подчеркнуть ласку или силу. Таким образом, имя Атымтай могло значить «меткий стрелок», «имя, данное при рождении» или, по народной этимологии, «мой выстрел» — «мой малыш».

Модель образования фамилии проста: к основе Атымтай прибавили русский патронимический суффикс -ев, который в тюркских фамилиях часто заменял -ов после мягкого согласного. Конечный «й» в имени перешёл в «ев», и фамилия получила женское окончание -а. Поэтому Атымтаева — женская форма, а мужская — Атымтаев.

Географически фамилия характерна для Казахстана и прилегающих регионов России, где сильно влияние казахского и других тюркских языков. Встречается она нечасто, что указывает на локальное происхождение — скорее всего, от конкретного рода или аула, где жил уважаемый человек по имени Атымтай.

Социальный контекст: носители фамилии, вероятно, были кочевниками или полукочевниками, занимавшимися скотоводством, охотой или военным делом. Имя Атымтай могли дать мальчику, родившемуся после удачной охоты или набега, или в знак того, что он станет метким стрелком. В отличие от многих русских фамилий, образованных от крестильных имён или профессий, Атымтаева сохранила прямую связь с доисламским или раннеисламским тюркским именословом, где ценились качества воина и охотника.

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