Фамилия Чембарцев — редкий случай, когда географическое название почти наверняка перевесило личное прозвище. Основа здесь — топоним Чембар, и это не предположение, а почти очевидный факт: город Чембар (с 1948 года — Белинский) в Пензенской области существовал как минимум с XVII века. Житель Чембара получал прозвище Чембарец, а его потомок уже записывался как Чембарцев. Модель образования простая: основа «чембар-» + суффикс принадлежности «-ец» (человек из Чембара) + стандартный русский патронимический суффикс «-ев», который «прирос» к фамилии при оформлении. То есть фамилия буквально означает «сын чембарца».

Менее вероятна, но не исключена версия от прозвища Чембар, данного человеку, который чем-то напоминал выходца из этого города — например, говорил на местный манер или торговал чембарским товаром. Но поскольку топоним конкретный и исторический, первая гипотеза гораздо логичнее.

Суффикс «-цев» (вместо более частого «-цов») — это не ошибка, а диалектная или историческая черта. В русских фамилиях, образованных от названий жителей на «-ец», часто встречается вариант с «-ев»: ср. Ростовцев (от ростовец), а не Ростовцов. Чембарцев — из того же ряда. В написании фамилии сохранилась старая орфографическая норма: буква «е» после шипящего «ч» под ударением (Чембар — Чембарцев). В дореволюционных документах могла встречаться форма «Чембарцов», но современный вариант закрепился в советское время.

Географически фамилия тяготеет к Пензенской области и соседним регионам. Встречается она нечасто, что неудивительно: фамилий от названия одного конкретного города обычно немного, если только город не был крупным центром переселения. Чембар — уездный город, и его уроженцы разъезжались по округе, но массового расселения не было. Сословного барьера фамилия не знала: её мог носить и крестьянин, перебравшийся из уезда в другую губернию, и мещанин, и священник. Единственное, что объединяет всех Чембарцевых — их предки так или иначе имели отношение к Чембару, будь то место рождения, службы или торговли.