Фамилия Айтимбеов — редкий пример фамилии, образованной от сложного личного имени. Её основа восходит к тюркскому составному имени Айтимбе, где первая часть ай означает «луна» (небесное светило, символ красоты и чистоты), а тим — это, скорее всего, усечённая форма от тимер (железо) или глагольная форма «не тронь» (от тийме). Вторая часть бе — это вариант слова бий или бек (князь, господин, правитель). Таким образом, имя Айтимбе можно перевести как «луноподобный господин» или «неприкосновенный князь» — пожелание обладателю быть светлым и уважаемым, как луна, и твёрдым, как железо.

Фамилия оформлена по русской модели с суффиксом -ов, который присоединяется к основе на согласный. В русской среде тюркские имена часто русифицировали, добавляя этот патронимический суффикс, означающий «сын такого-то» или «принадлежащий такому-то». Поэтому Айтимбеов — это «сын Айтимбе». Написание с буквой «ё» в конце (Айтимбеов) встречается реже, чем с «е» (Айтимбеов), но оба варианта возможны, так как 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.