Фамилия Бисинбаев — редкий пример тюркско-монгольского именования, адаптированного русской патронимической моделью. Её основа восходит к личному имени Бисинбай, которое состоит из двух частей: «бисин» и «бай». Первая часть, «бисин», скорее всего, восходит к тюркскому глаголу «бису» или «бесу» — «резать, вырезать» (в переносном смысле — «острый на язык», «решительный»), либо к монгольскому «бис» — «основа, суть». Вторая часть — «бай» — тюркский титул «богатый, господин, хозяин». Таким образом, имя Бисинбай могло означать «острый, как нож, господин» или «владеющий сутью», то есть прозвище человека с характером или ремеслом, связанным с резьбой, обработкой металла или острым умом.

Фамилия образована по русскому суффиксальному шаблону -ев, который в тюркских фамилиях присоединяют к именам, оканчивающимся на согласный или -й (Бисинбай → Бисинбаев). Такой способ типичен для фамилий, возникших в среде крещёных татар, башкир, казахов или ногайцев в XVIII–XIX веках, когда фиксация фамилий шла через русскую администрацию. Суффикс -ев здесь указывает на принадлежность: «сын Бисинбая». Важно, что в исконной тюркской среде отчества образовывались иначе (например, Бисинбайулы), а русское окончание — результат документальной записи.

География фамилии узкая: носители Бисинбаевых встречаются в Оренбургской области, Башкортостане и Татарстане, единично — в Казахстане. Это указывает на возможное происхождение из среды оренбургских казаков или башкирских родов, где личные имена с компонентом «бай» были распространены. Фамилия не имеет дворянского статуса — в дореволюционных списках она не фигурирует, что типично для крестьянских и казачьих родов, получивших фамилии поздно, при переписях.

Сложность корня «бисин» порождает и альтернативные версии: некоторые исследователи связывают его с арабским «бисм» (имя) через искажение, но это маловероятно, так как арабские имена в тюркской среде обычно сохраняют ясную форму (например, Бисимбай). Более правдоподобно, что «бисин» — местный диалектный вариант слова «песин» (песня, напев) у казахов, и тогда Бисинбай — «богатый песнями», то есть певец или сказитель. Однако в письменных источниках эта версия не подтверждена.

Однокоренные фамилии — Бисимбаев (с заменой «н» на «м») и Бисинбаев — встречаются в одних и тех же регионах, что говорит о вариативности записи одного имени. Носители фамилии, как правило, не знают точного значения, но могут проследить родство до деда, носившего имя Бисинбай.