Фамилия Бисембаев образована от мужского имени Бисембай (его фонетический вариант — Бисенбай). Это имя, в свою очередь, восходит к тюркскому Бирсенбай, что дословно означает «пусть Бог даст мальчика, который станет баем». Слово «бай» в тюркских языках имеет широкий круг значений: хозяин, богатый, состоятельный, могущественный человек, господин. Нарекая ребенка именем Бисембай, родители желали, чтобы Аллах помог их сыну стать богатым и независимым человеком.

Фамилия построена по стандартной для русского языка патронимической модели: к основе Бисембай прибавлен суффикс принадлежности -ев, который указывает на происхождение от отца. Таким образом, Бисембаев — это буквально «сын Бисембая» или «потомок Бисембая». Со временем прозвище по отцу закрепилось как наследственная фамилия.

Интересная деталь: на стыке тюркского имени и русского суффикса происходит фонетическое упрощение. Исходное имя Бисембай при присоединении окончания теряет конечный звук «й» (сравните: Бисембай → Бисембаев). Это типичный процесс для фамилий, образованных от тюркских имен с окончанием на -ай, -уй, -ей.

Фамилия распространена среди казахов и других тюркоязычных народов, исторически проживающих на территории современного Казахстана, а также в регионах России, граничащих с ним. География бытования фамилии в основном связана с Западным Казахстаном и Оренбургской областью, где издавна были сильны тюркские антропонимические традиции.