Фамилия Бесембаев — редкий случай, когда тюркская основа не поддаётся однозначному переводу с первого взгляда. В ней слышен казахский или башкирский корень, но точное значение исходного слова теряется в диалектах и старых именах.

Словообразовательная модель прозрачна: основа «Бесембай» плюс русский патронимический суффикс -ев, который присоединяли к тюркским фамилиям при русификации (как в Каратаев, Ахметов). Суффикс -ев, а не -ов, указывает на конечный мягкий согласный или «й» в основе: Бесемба́й → Бесембаев. Сама основа «Бесембай» — сложное имя, типичное для казахской и башкирской антропонимии. Первая часть, «бес», по-тюркски означает «пять» (ср. казахское бес, башкирское биш). Вторая часть, «ембай» или «бай», — это апеллятив «бай» (господин, богач, хозяин), очень распространённый компонент личных имён (ср. Баймурат, Байбулат). Таким образом, «Бесембай» — это «пять баев» или, скорее, «пятый бай». Числительные в тюркских именах часто указывали на порядок рождения: Бесембай мог быть пятым сыном в семье. Аналогичные имена — Бишимбаев (от «биш» — пять) или Токембаев (от «ток» — сытый).

Географически фамилия Бесембаев тяготеет к Западному Казахстану и приграничным регионам России (Астраханская, Оренбургская области). Встречается она и у башкир, но реже. В XIX веке носители такой фамилии, скорее всего, были кочевниками-скотоводами или казахами, перешедшими к оседлости. Сословная принадлежность — «инородцы» (по тогдашней терминологии), государственные крестьяне или казаки. Никаких дворянских корней у фамилии нет — это чисто народная, прозвищно-именная модель.

В написании возможна вариативность: в старых метрических книгах можно встретить «Бисимбаев» или «Бесимбаев», что связано с неустойчивостью гласных в тюркских заимствованиях. Современный вариант с «е» закрепился как литературная норма. Однокоренных фамилий, кроме упомянутых Бишимбаев и Бесембаев, практически нет — это делает её хорошим маркером для генеалогического поиска в узком регионе.