Фамилия Чемлаева — женская форма фамилии Чемлаев, и её происхождение стоит искать в мужском прозвище или имени. Основа здесь — «чемлай» или «чемла», слово неочевидное и редкое, что сразу выделяет фамилию из ряда типовых.

Скорее всего, в основе лежит тюркское слово «чемла» или «чамла» — в некоторых тюркских языках так называли разновидность сосуда, бочонка или меры сыпучих тел. Кроме того, у кавказских народов (например, у кумыков) встречается мужское имя Чемлай, которое могло перейти в фамилию при русификации. Учитывая географию бытования фамилии — она встречается в Поволжье и на Северном Кавказе, — версия с тюркским именем или прозвищем выглядит убедительнее всего.

Суффикс -ев (а не -ов) указывает на основу, оканчивающуюся на мягкий согласный или й. Если исходное прозвище было Чемлай, то притяжательная форма «Чемлаев» означает «сын Чемлая». Фамилия образована по стандартной русской модели, но с нестандартной основой, что и делает её редкой.

Есть и менее вероятная версия: от слова «чемодан» через диалектное «чемла» или «чемлан». Однако для этого нет надёжных лингвистических подтверждений — скорее всего, это народная этимология, которая возникает от звукового сходства. В словарях фамилия Чемлаев не фиксируется как массовая, что говорит о её локальном характере.

Таким образом, предки носителей фамилии Чемлаева могли быть выходцами из тюркоязычной среды, получившими прозвище по имени или роду занятий, связанному с мерой или сосудом. Фамилия недворянская, скорее всего, крестьянская или казачья, что подтверждается её расселением в южных и приволжских регионах.