Фамилия Бейсембай образована от личного мужского имени Бейсембай, которое в свою очередь восходит к казахскому слову «бейсембі» — «четверг». В тюркской ономастике распространена традиция называть детей по дню недели, в который они родились: такие имена, как Жұмабай (пятница), Сенбібай (суббота), Бейсембай (четверг). Второй компонент «бай» в составе имени означает «богатый, господин, хозяин» — это традиционный усилительный элемент, нередко придававший имени пожелание благополучия.

Фамилия Бейсембай не имеет русских суффиксов типа -ов или -ин, что прямо указывает на её казахское происхождение. В русскоязычной среде такие фамилии обычно остаются без изменения, так как они не склоняются по падежам. Это отличает их от русифицированных вариантов вроде Бейсембаев, где добавлен суффикс принадлежности.

Географически фамилия Бейсембай чаще всего встречается в Казахстане, особенно в южных и западных регионах, где сильны традиции имянаречения по дням недели. В России носители этой фамилии — в основном потомки казахов, переселившихся в соседние области (Астраханская, Оренбургская, Омская). Среди русских фамилий аналогов по модели образования почти нет: в русской традиции дни недели в основе фамилий встречаются редко и обычно в составе прозвищ (Субботин, Воскресенский), но без компонента «бай».

Исторически имя Бейсембай было распространено среди простых кочевников и скотоводов, а не знати: «бай» в данном случае не столько указывал на реальное богатство, сколько был пожелательной частью имени. Фамилия не принадлежала к высшим сословиям, и её носители в XIX — начале XX века были в основном казахами-шаруа (крестьянами). В советское время фамилия сохранилась без изменений, так как не требовала адаптации к русской грамматике.

Таким образом, фамилия Бейсембай — это прямой слепок казахского личного имени, который рассказывает о дне рождения предка и содержит пожелание достатка. Она не подверглась русификации и осталась в исходной форме, что делает её редким примером нерусской фамилии, органично вошедшей в российский обиход.