Фамилия Чембаева — женская форма фамилии Чембаев, которая образована от мужского личного имени или прозвища Чембай. Основа здесь — тюркский компонент «чем» или «чэм», который в ряде тюркских языков (татарском, башкирском, казахском) означает «корм», «еда», «пища». Второй элемент «бай» — распространенный в тюркской ономастике титул со значением «богатый», «господин», «хозяин». Таким образом, имя Чембай могло иметь значение «богатый кормом» или «сытый хозяин», что указывает на достаток или зажиточность человека. Впрочем, у тюркских народов имена с компонентом «бай» часто давали не столько в прямом смысле, сколько как пожелание благополучия.

Фамилия Чембаева характерна для регионов Поволжья и Урала, особенно среди татар и башкир. Модель образования — классическая для русской фамилии: к основе мужского имени Чембай добавили русский патронимический суффикс -ев (вариант -ов после мягкого согласного), что означает «сын Чембая». Женская форма на -а появилась позже, когда фамилии закрепились в официальных документах и стали передаваться по наследству.

В отличие от многих фамилий, у Чембаевой нет альтернативных версий, связанных с географическими названиями или прозвищами по ремеслу. Корень узкий, и основная гипотеза — тюркское происхождение от личного имени — является единственной и правдоподобной. Встречаемость фамилии невысокая, что говорит о её локальном бытовании: носители сосредоточены в основном в Татарстане, Башкортостане и соседних областях.

Если искать параллели, то однокоренные фамилии — Чембаев (мужская форма) и, возможно, Чембаевский (с суффиксом -ский, указывающим на принадлежность к местности). Но именно вариант Чембаева — женская форма, которую в русской традиции носят дочери и жёны. Предки носительниц этой фамилии, скорее всего, были крестьянами или мещанами из тюркоязычной среды, а само прозвище Чембай могло закрепиться за основателем рода как уважительное обращение к зажиточному или хлебосольному хозяину.