Фамилия Дюсембаев — типичная для казахской ономастики патронимическая фамилия, то есть образованная от личного имени отца. Её основа — мужское имя Дюсембай, которое само по себе составное и имеет как минимум две версии происхождения.

Первая и наиболее распространённая трактовка связывает имя Дюсембай с персидским словом «дусым» (друг, близкий человек) и тюркским титулом «бай» (богатый, господин, хозяин). В таком случае имя Дюсембай (или его вариант Дусымбай) означает «богатый друг» или «мой близкий господин» — пожелание, чтобы мальчик вырос состоятельным и верным товарищем. Эта модель образования имени (персидская лексема + тюркский «бай») очень характерна для мусульманских имён Поволжья и Средней Азии.

Вторая версия, также имеющая под собой основания, выводит имя из персидского «душамбе» (понедельник). Согласно этой гипотезе, Дюсембай — это имя, которое давали мальчику, родившемуся в первый день недели. В тюркской и казахской традиции имена, указывающие на день рождения (например, Жумабай — от «жума», пятница), встречаются часто, поэтому эта версия выглядит вполне правдоподобно. В таком случае имя буквально означает «богатый (бай) понедельника».

Фамилия Дюсембаев образована по стандартной русской модели: к основе Дюсембай добавился русский патронимический суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягкого или шипящего). В результате фамилия означает «потомок Дюсембая». Такая адаптация тюркских имён через русскую грамматику — массовое явление, закрепившееся в документах в XIX–XX веках. Фамилия распространена в Казахстане и среди казахской диаспоры; её географическая привязка — в первую очередь западные и центральные регионы республики, хотя встречается она повсеместно.