Фамилия Байтымбетова — редкий пример фамилии, образованной не от русского, а от тюркского имени, причём с характерным для казахской и ногайской традиции суффиксом принадлежности. Основа — мужское имя Байтымбет, которое в свою очередь сложное: «бай» (богатый, господин, хозяин) и «тымбет» — искажённое «тюбет» (верхушка, шапка) или «тембет» (крепкий, устойчивый). В буквальном смысле Байтымбет — «богатая верхушка» или «крепкий хозяин», но скорее это прозвище, данное человеку за состоятельность или властный характер.

Фамилия образована по русской модели: к основе Байтымбет добавили суффикс -ов- и окончание -а, что типично для русификации тюркских имён в XIX–XX веках. Носительница фамилии — женщина, мужской вариант — Байтымбетов. Суффикс указывает на принадлежность: «дочь (или жена) Байтымбета». Такая модель встречается у многих народов Северного Кавказа, Поволжья и Казахстана, где фамилии часто закрепляли отчество или родовое имя.

Географически фамилия Байтымбетова тяготеет к Астраханской области, Калмыкии и западному Казахстану. В этих местах фамилия могла появиться у ногайцев или казахов, которые после присоединения к Российской империи получали фамилии по имени старшего в роду. Интересно, что ударение в фамилии, скорее всего, падает на второй слог: Байты́мбетова, хотя в устной речи встречаются варианты.

В отличие от многих русских фамилий на -ов, у Байтымбетовой нет крестьянского или дворянского прошлого — она целиком восходит к кочевой среде, где имя было маркером статуса. Прямых аналогов в русском языке нет, но однокоренные фамилии вроде Тюбетов или Байтуров встречаются в тех же регионах.