Фамилия Чембулаев — редкий пример, где корень почти наверняка тюркский, а суффикс — русский, адаптировавший это слово в фамилию. Основа «Чембулай» или «Чембула» восходит к тюркскому личному имени или прозвищу. Разбираем по частям: «чем» может быть вариантом «чом» или «чем» в значении «кожа», «шкура», либо фонетическим изменением от «джамбул» — «сталь», «булат». Вторая часть «булай» или «була» — от тюркского «була» (пестрый, пятнистый) или «булай» (так, вот так, указательное слово). В ономастике известны тюркские имена Чембулат, Джамбулат, где «булат» — сталь, а первая часть — искаженное «джан» (душа) или «джам» (сосуд). Однако для фамилии Чембулаев более вероятна версия с корнем «чембул» — так в тюркских языках называли разбойника, бродягу, человека без оседлости. У В. Даля зафиксировано слово «чембул» в значении «бродяга, гуляка» (из тюркских языков, возможно, через казахский или ногайский). Тогда Чембулаев — сын человека по прозвищу Чембул, то есть «сын бродяги» или «сын вольного человека». Суффикс «-ев» стандартный для русских фамилий, образованных от основ на согласный.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где тюркские народы долго контактировали с русскими: Поволжье, Урал, Оренбуржье, Северный Кавказ. Встречается у татар, башкир, казахов, а также у русских, чьи предки жили в смешанных селах. В XIX веке крестьяне с такой фамилией могли быть из бывших военных поселенцев или казаков, где прозвища закреплялись за целыми семьями.

Есть и более прозаичная версия: от названия реки или урочища. В бассейне Волги известна речка Чембулатка (приток Малого Черемшана), а в Оренбургской области — овраг Чембулай. Если предок жил у такого места, его могли прозвать «чембулайским», а потом фамилия сократилась до Чембулаев. Но это менее вероятно, так как топонимы чаще дают фамилии на «-ский».

В написании фамилии возможны варианты: Чембулатов, Чембулатов, Джамбулатов — это однотипные образования от того же корня, но с разными суффиксами. Чембулаев стоит особняком именно из-за редкого суффикса «-ай», который в русских фамилиях встречается нечасто (сравните с Каратаев, Булгаев). Это указывает на то, что исходное имя или прозвище было именно Чембулай, а не Чембулат.

В целом, фамилия Чембулаев — типичный случай, когда русский суффикс «накрыл» тюркское прозвище, и носитель фамилии сегодня может не знать, что его предок, скорее всего, был человеком подвижным, независимым, возможно, не слишком оседлым — в прямом или переносном смысле слова «чембул».