Фамилия Билимбаева — редкий случай, когда географическое название почти наверняка перевесило личное прозвище. Её основа — топоним Билимбай, название посёлка в Свердловской области, возникшего в XVIII веке вокруг чугуноплавильного и железоделательного завода. Жителей этого места называли билимбаевцами, а выходца — Билимбаевым. Фамилия закрепилась за теми, кто переселился из заводского посёлка в другие регионы Урала или Сибири, и стала родовой.

Модель образования проста и прозрачна: суффикс -ев присоединён к основе Билимбай. Мужской вариант — Билимбаев, женский — Билимбаева. Ударение, скорее всего, падает на третий слог: Билимба́ева. Суффикс -ев типичен для русских фамилий, образованных от названий на -й (сравните: Андреев, Тимофеев), что указывает на полную ассимиляцию тюркского топонима русской словообразовательной системой.

Сам топоним Билимбай, вероятно, имеет башкирские или татарские корни. В нём угадывается основа «бил» (знание, ведание) и «бай» (богатый, господин). Дословно Билимбай можно перевести как «богатый знаниями» или «знающий господин». Не исключено, что так звали реального человека — основателя поселения или местного старшину, чьё имя затем перешло на завод и посёлок. Однако в случае с фамилией первичным оказывается не личное имя, а место жительства: предок носительницы фамилии был не просто «человеком по имени Билимбай», а «человеком из Билимбая».

Сословная принадлежность предков Билимбаевых, скорее всего, была связана с заводским или крестьянским населением Урала. Это могли быть мастеровые, крепостные крестьяне, приписанные к заводу, или свободные переселенцы. Фамилия не указывает на дворянство или духовенство — она из рабочей и сельской среды уральского региона. Других версий происхождения, например от прозвища или иноязычного имени без географической привязки, нет, и они менее правдоподобны: слишком сильна связь с конкретным и известным топонимом.