Фамилия Чимбаева, при всей своей редкости, прозрачна для этимолога. Её основа — мужское личное имя Чимбай, которое в тюркских языках складывается из двух частей: «чим» (в разных диалектах — дерн, трава, луговина) и «бай» (богач, хозяин, господин). Таким образом, имя Чимбай буквально означает «богатый травой» или «владелец лугов», что в скотоводческом хозяйстве звучало как пожелание достатка и привольных пастбищ. Это типичная для башкирской, татарской, казахской и ногайской ономастики модель сложения с компонентом «бай».

Фамилию образовали по русской патронимической модели: к основе Чимбай добавили русский суффикс принадлежности -ев (фонетический вариант -ов после мягкого согласного). Женская форма Чимбаева — это изначально «дочь или жена Чимбая». Такие фамилии массово возникали в XIX — начале XX века, когда при переписях и в документах тюркским именам придавали русское окончание. Интересно, что суффикс -ев здесь стоит не после шипящего или ц, как обычно, а после й, что встречается реже: это указывает на то, что имя записывали на слух как Чимбай, а не Чимба.

Географически фамилия почти наверняка привязана к Южному Уралу или Зауралью, к местам расселения башкир и татар. Встречается она и у казахов, но там патроним чаще оформлялся бы как Чимбаев без перехода в женскую форму. В русских метрических книгах Оренбургской, Уфимской и Пермской губерний можно найти записи о Чимбаевых — это были крестьяне-скотоводы или тептяри, платившие ясак. Споров о происхождении фамилии нет: все исследователи сходятся на тюркском имени с прозрачной семантикой, и альтернативные версии (например, от калмыцкого «чим» — пух) не выдерживают критики из-за географии бытования.