Фамилия Дилимбаевский — редкий пример фамилии, в которой соединились восточное происхождение основы и славянская модель оформления. Корень «Дилимбай» или «Дилимба» явно восходит к тюркским языкам, где «бай» означает «богатый, господин, хозяин». Первая часть «дилим» может быть вариантом имени Дилим (от тюркского «дил» — язык, речь, или «дилим» — мой язык), либо искажением арабского «дилим» (учёный, знающий). Таким образом, основа фамилии — это личное имя или прозвище Дилимбай, то есть «богатый речью» или «красноречивый господин».

Формант «-евский» типичен для фамилий польского, украинского или белорусского происхождения, но в данном случае он мог появиться в результате русификации. В Российской империи выходцы из тюркских народов, татарских или башкирских родов, переходя в православие или поступая на государственную службу, нередко получали фамилии с суффиксом «-ский» или «-евский» по месту жительства или по имени предка. Дилимбаевский могло означать «принадлежащий к роду Дилимбая» или «выходец из местности, где жил Дилимбай».

Географически фамилия почти не встречается — это штучный случай. Её носители, вероятно, происходят из южнорусских или поволжских регионов, где исторически смешивались славянское и тюркское население. Сословная принадлежность предков могла быть разной: от крестьян до мелкопоместных дворян, но без документальных подтверждений говорить об этом сложно. В отличие от массовых фамилий на «-ов» или «-ин», Дилимбаевский сохраняет память о конкретном имени предка, которое не превратилось в распространённое прозвище.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Дилимбаев, Дилимбай) показывает, что вариант на «-ский» — это более поздняя, «облагораживающая» форма, характерная для тех, кто хотел подчеркнуть своё дворянское или шляхетское происхождение. Если бы фамилия осталась в исходном виде, она звучала бы как Дилимбаев. Суффикс «-ский» в данном случае — не географический маркер, а социальный: он указывает на попытку адаптировать тюркское имя к польско-литовской ономастической традиции, распространённой среди служилого дворянства.