Фамилия Бисембаев — один из тех родовых имен, которые прямо указывают на имя первого носителя. В её основе лежит тюркское мужское имя Бисембай (встречается также фонетический вариант Бисенбай). Это имя, в свою очередь, восходит к более древнему Бирсенбай, что дословно переводится как «пусть Бог даст мальчика, который станет баем». Слово «бай» в тюркских языках имело весомое значение: хозяин, богатый, состоятельный, могущественный человек. Нарекая сына Бисембаем, родители выражали пожелание, чтобы Аллах даровал мальчику благополучие и независимость.

С точки зрения словообразования, фамилия построена по простой и распространенной модели: к основе имени Бисембай добавился русский патронимический суффикс -ев (вариант -ов после мягкого согласного). Такой способ оформления фамилий стал массовым в среде тюркских народов после присоединения их территорий к Российской империи, когда возникла необходимость фиксировать родовые имена по русским стандартам.

Таким образом, Бисембаевы — это потомки человека по имени Бисембай. Сама фамилия — памятник восточной культуры, но её окончательное оформление произошло уже под влиянием русской делопроизводственной традиции. Точное время и место, где это случилось, требует отдельных генеалогических изысканий — процесс закрепления фамилий был долгим и не всегда привязан к одной конкретной местности.