Фамилия Айтимбеов — редкий пример того, как тюркское составное имя обрастает русским патронимическим суффиксом и закрепляется в документах. Её основа восходит к имени Айтимбе, которое складывается из нескольких смысловых блоков. Первая часть ай означает «луна» — небесное светило, символ красоты и чистоты. Вторая часть тим — спорный элемент: это либо усечённая форма от тимер (железо), либо глагольная форма «не тронь» (от тийме). Вторая половина имени бе — вариант слов бий или бек (князь, господин, правитель). Имя Айтимбе можно перевести как «луноподобный господин» или «неприкосновенный князь» — родители желали обладателю быть светлым и уважаемым, как луна, и твёрдым, как железо.

Фамилию оформили по русской модели: к основе на согласный добавили суффикс -ов. В русской среде тюркские имена часто русифицировали именно так, и суффикс означал «сын такого-то» или «принадлежащий такому-то». Айтимбеов — это буквально «сын Айтимбе». Написание с буквой «ё» в конце (Айтимбеов) встречается реже, чем с «е» (Айтимбеов), но оба варианта возможны: в русском языке ударение в таких фамилиях обычно падает на последний слог, и буква «ё» факультативна.

Географически фамилия, скорее всего, происходит из регионов, где исторически жили тюркские народы, испытавшие сильное русское влияние: Казахстан, Киргизия, Башкортостан, Татарстан или горские народы Кавказа (карачаевцы, балкарцы). Встречаемость фамилии крайне низкая, что указывает на её локальный характер — возможно, она принадлежала одному роду или даже одной семье, закрепившейся в документах при советской паспортизации 1920–1930-х годов. В отличие от распространённых фамилий вроде Айтимбетов или Айтимов, форма Айтимбеов сохранила редкую основу без наращения -бет (лицо) и с усечённым тим.

С точки зрения социального контекста, носитель фамилии Айтимбеов, вероятно, происходит из крестьянской или скотоводческой среды, где личные имена давали с пожеланием удачи и силы. Фамилия не свидетельствует о дворянском происхождении, но указывает на уважение к родоначальнику, имя которого было достаточно значимым, чтобы стать родовым прозвищем.