Фамилия Бейсембаев — типичный пример казахской антропонимической модели, где личное имя превратилось в фамилию через прибавление русского патронимического суффикса -ев. В основе лежит мужское имя Бейсембай, сложенное из двух частей. Первая часть — Бейсем (диалектная форма от имени Бейсен) — означает «четверг». Так в казахской традиции называли мальчиков, родившихся в этот день недели. Вторая часть — бай — в тюркских языках имела значение «господин, хозяин, князь, повелитель»; изначально это был военный термин, но со временем он превратился в распространённый компонент имён и прозвищ, указывающий на знатность или богатство.

Имя Бейсембай, таким образом, можно перевести как «господин, рождённый в четверг» или «четверговый князь». В дореволюционной казахской среде такие составные имена с элементом «бай» нередко давали с пожеланием, чтобы ребёнок вырос состоятельным и уважаемым человеком. Когда в XIX–XX веках у казахов начали массово оформляться фамилии по русскому образцу, к основе Бейсембай добавили суффикс -ев (вариант -ов после мягкого согласного), и получилась фамилия Бейсембаев.

Фамилия распространена преимущественно в Казахстане, особенно в южных и западных регионах, где имя Бейсембай было популярным. Встречаются варианты написания Байсембаев, но форма Бейсембаев закрепилась как стандартная. Реже фамилия фиксируется у казахов, переселившихся в Россию (Оренбургская, Астраханская области). Мужские имена, связанные с днями недели, — вообще характерная черта казахской ономастики: ср. Дүйсенбай (понедельник), Сәрсенбай (среда), Жұмабай (пятница), Сенбібай (суббота). Бейсембай стоит в этом ряду на четвёртом месте.

О сословной принадлежности носителей фамилии в прошлом судить сложно: «бай» в имени не обязательно означал реальное богатство, часто это был просто пожелательный элемент. Однако можно с уверенностью сказать, что основу фамилии составляет личное имя, данное по дню рождения, с добавлением статусного компонента, что делает её прозрачной по смыслу и типичной для казахской антропонимии.