Фамилия Бетимбаев — редкий пример русской фамилии, образованной от тюркского имени. Её основа — мужское имя Бетимбай, которое в свою очередь сложено из двух частей: «бетим» (возможно, от тюркского «бет» — лицо, лик, или «бетим» — «моё лицо», «моя сторона») и «бай» — «господин», «богач», «хозяин». Таким образом, имя Бетимбай могло означать «лицо (или сторона) господина» или «господин с лицом (определённого свойства)». В тюркской ономастике имена с компонентом «бай» были широко распространены у казахов, башкир, татар и других народов; они часто давались с пожеланием богатства и благополучия.

Русский суффикс -ев присоединился к основе Бетимбай по стандартной модели: из Бетимбай → Бетимбаев. Такое окончание характерно для фамилий, образованных от имён, заканчивающихся на -й (сравните: Алтынбаев, Тулебаев). В русской традиции это означало «сын Бетимбая» или «принадлежащий роду Бетимбая». Фамилия закрепилась, скорее всего, в XIX — начале XX века, когда у тюркских народов, вошедших в состав Российской империи, начали массово фиксировать фамилии по русскому образцу.

Географически фамилия Бетимбаев тяготеет к Казахстану и прилегающим регионам России, особенно к Оренбургской, Астраханской областям и Башкортостану. Носители фамилии — потомки казахов или башкир, перешедших на оседлый образ жизни и получивших фамилию от имени предка. Встречается она редко: по открытым данным, в России насчитывается не более нескольких сотен человек с такой фамилией, что делает её локальной и родовой.

В отличие от многих русских фамилий на -ов, которые произошли от прозвищ или профессий, Бетимбаев — чистый патроним. Это значит, что предок носителя фамилии был человеком по имени Бетимбай, и никакого дополнительного ремесленного или социального подтекста основа не несёт. Споров о происхождении корня практически нет: все лингвисты сходятся на тюркском имени с компонентом «бай». Единственная тонкость — возможное значение первой части «бетим»: некоторые исследователи связывают её с казахским «бет» (лицо, щека), другие — с диалектным «бет» (сторона, направление). Оба варианта правдоподобны, но в любом случае имя было личным, а не прозвищным.