Фамилия Байтамирова образована от мужской формы Байтамиров, а та, в свою очередь, — от составного тюркского имени Байтамир. Разберем его по частям: «бай» в тюркских языках означает «богатый», «господин», «хозяин», а «тамир» — это «железо» (в ряде языков, например, в казахском, башкирском и татарском, это слово звучит как «тимер» или «темир»). Таким образом, имя Байтамир можно перевести как «богатый железом» или, в переносном смысле, «крепкий, как железо, господин». Встречается и более прозаичное толкование: «богатый кузнец», где «железо» указывает на ремесло.

Фамилия эта — типичная для народов Поволжья, Урала и Кавказа, где распространены тюркские языки. В русской среде она закрепилась через суффикс -ов/-ев, который присоединяется к основе имени отца: «чей?» — Байтамиров, то есть «потомок Байтамира». Суффикс -а в женском варианте (Байтамирова) указывает на принадлежность к роду или на замужнюю женщину.

Интересно, что в отличие от многих фамилий, образованных от арабских или персидских корней, здесь основа чисто тюркская и прозрачная для носителей этих языков. В документах XVIII–XIX веков, когда крестьянам и инородцам начали массово присваивать фамилии, имя Байтамир могло стать фамилией без изменений — просто записали отчество как родовое прозвище. Встречается и вариант Байтемиров (с буквой «е»), что связано с особенностями местного произношения.

Сословно носители фамилии могли быть как крестьянами, так и служилыми людьми — в башкирских и татарских полках, например, имя Байтамир фиксируется среди вотчинников и старшин. Однако точных данных о социальном статусе предков без генеалогического поиска нет: фамилия не указывает на дворянство или духовенство, она бытовала в разных слоях.