Фамилия Битимбаева — яркий пример фамилии тюркского происхождения, характерной для народов Средней Азии и Южного Урала. Её основа — мужское личное имя Битимбай, которое состоит из двух частей: «битим» и «бай». Слово «битим» в тюркских языках (например, в казахском, башкирском, татарском) означает «завершение», «окончание», «результат», а также может пониматься как «судьба» или «предначертание». Вторая часть — «бай» — традиционный компонент тюркских имён, означающий «богач», «хозяин», «господин». Таким образом, имя Битимбай можно перевести как «богач, достигший цели» или «человек, которому суждено быть богатым».

Суффикс «-ева» в окончании фамилии — это русский патронимический суффикс, указывающий на принадлежность. В данном случае он оформляет фамилию по женскому роду (Битимбаева — дочь или жена Битимбая). Мужская форма фамилии — Битимбаев. Такое окончание характерно для фамилий, которые русифицировались при взаимодействии с русской административной системой в XIX–XX веках. Если бы фамилия осталась в исконной тюркской среде, она могла бы звучать как Битимбайулы (сын Битимбая) или Битимбайкызы (дочь Битимбая).

Географически фамилия Битимбаева распространена преимущественно в Казахстане, а также среди башкир и татар. Встречается она и в России, особенно в Оренбургской, Челябинской областях и в Башкортостане. В этих регионах имя Битимбай было известно как личное имя, и от него образовались не только фамилии, но и топонимы — например, существует село Битимбай в Башкортостане. Это позволяет предположить, что предки носителя фамилии могли быть основателями или жителями такого населённого пункта.

С точки зрения социального статуса, фамилия не указывает на дворянское происхождение. В тюркской среде имена с компонентом «бай» часто давали в надежде на благополучие, но носителями таких имён могли быть и простые скотоводы, и ремесленники. В ономастических работах Б. Унбегауна и В. Никонова подобные фамилии относят к числу поздних, массово закрепившихся в XIX веке при переписях и паспортизации. Споров о происхождении корня «битим» практически нет — он прозрачен для тюркских языков, и альтернативные версии (например, связь с арабским «битм» — «дом») лингвистически слабы и не поддерживаются ареалом бытования фамилии.