Фамилия Баймухамедовы образована по типичной для тюркских языков модели: к основе прибавили русский патронимический суффикс -ов. Сама основа — составное мусульманское имя Баймухамед (вариант — Баймухаммед). Первая часть, «бай», в тюркских языках означает «богатый», «господин», «хозяин». Вторая часть — имя Мухаммед (араб. «достойный похвалы»), имя пророка ислама. В сумме имя Баймухамед можно перевести как «богатый (или знатный) Мухаммед» или «господин Мухаммед».

Такая конструкция — «бай» + имя — характерна для ономастики народов Средней Азии, Казахстана, Поволжья и Кавказа. В русской среде фамилия закрепилась, когда носители тюркского имени попали в состав Российской империи и получили фамилию по отцу — Баймухамедов. Распространённые версии о происхождении от выходцев из Золотой Орды, печенегов или половцев — скорее, общее место для многих «восточных» фамилий в России. Прямых документальных подтверждений для конкретно этой фамилии обычно нет, и относить её к XV–XVII векам можно лишь предположительно. Реально фамилия фиксируется в метрических книгах и ревизских сказках не раньше XVIII–XIX веков, в основном среди татар, башкир и казахов, переходивших в оседлое состояние или служивших в казачьих войсках.

В отличие от многих фамилий на -ов, где суффикс просто русифицирует тюркскую основу, здесь интересна именно внутренняя форма: имя Баймухамед — не просто «раб божий Мухаммед», а «богатый Мухаммед», что подчёркивало социальный статус или пожелание достатка. В русских документах фамилию могли записать по-разному: Баймухамедов, Баймухаммедов, Баймухаметов — в зависимости от местного произношения и грамотности писаря. Вариант с «е» (Баймухамедов) стал литературной нормой, хотя в устной речи часто звучит «Баймухаметов» (с твёрдым «т» на конце основы).

Фамилия не была дворянской в привычном для России смысле — её носители относились к податным сословиям (крестьяне, мещане, казаки) или к служилым людям из инородцев. В советское время фамилия широко распространилась по всему СССР, но её исторический ареал — территории современного Татарстана, Башкортостана, Казахстана и Оренбуржья.