Фамилия Черемпеева — одна из тех, чей корень уводит в тюркские языки, а суффикс указывает на конкретную модель образования. Основа «черемпей» или «чиримпей» восходит к тюркскому антропониму, который, скорее всего, состоял из двух частей. Первая — «черем» (или «чирим») — в ряде тюркских наречий означала «гнилой», «испорченный», но в именах собственных часто выступала как оберег: считалось, что «плохое» имя отводит от ребёнка злых духов. Вторая часть — «бей» (титул «господин», «князь»). Таким образом, имя Черемпей могло значить «господин с оберегающим именем» или «князь-оберег».

Фамилия образована по русской модели с суффиксом -ев, который присоединяли к основам на мягкий согласный или на -й. В данном случае к основе «Черемпей» добавили -ев, а затем окончание женского рода -а. Мужской вариант — Черемпеев. Такая словообразовательная цепочка типична для XVI–XVII веков, когда тюркские имена активно входили в русскую антропонимию через служилых татар, казаков и крещёных инородцев.

Географически фамилия тяготеет к регионам Поволжья и Приуралья, где исторически сильны тюркские и финно-угорские влияния. Встречается среди чувашей, татар, башкир и русских, живших по соседству. В чувашском языке есть схожее слово «чӗрӗмпей» — так называли берестяной короб или туесок, но это, скорее, случайное звуковое совпадение, нежели прямой источник фамилии: прозвище «Короб» маловероятно для основы личного имени.

Редкость фамилии объясняется тем, что исходное имя Черемпей не получило широкого распространения и осталось локальным. В дореволюционных метрических книгах и ревизских сказках Черемпеевы фиксируются в основном в Казанской и Оренбургской губерниях. Сословно это были государственные крестьяне и однодворцы — никакого дворянства или купечества в роду не прослеживается.

Если сравнивать с однокоренными, то к той же модели «имя-оберег + титул» относятся фамилии Черемшанов, Черемных, но у Черемпеевой уникальный второй компонент. Спорных версий происхождения немного: некоторые любители этимологии пытаются связать корень с русским «череп» или «черемис» (устаревшее название марийцев), но фонетически это натяжка — в фамилии нет ни твёрдого «п» на конце, ни типичного для этих слов суффикса. Надёжнее всего держаться тюркской гипотезы с обережным именем.