Фамилия Дюсембаевы — одна из тех, что пришли в русский ономастикон из тюркской среды, и её разбор сразу отсылает к нескольким культурным пластам. В основе фамилии лежит мужское имя Дюсембай, которое бытует у казахов и других тюркских народов. Это имя составное, и здесь возможны две основные версии его происхождения, обе одинаково правдоподобные.

Первая версия связывает имя Дюсембай с персидским словом «душамбе» — понедельник. В таком случае имя получал мальчик, родившийся в первый день недели. Вторая версия выводит первую часть из персидского «дусым» (мой друг, мой близкий человек). В обоих вариантах вторая часть — «бай», тюркский титул, означавший богатого человека, хозяина, предводителя. Таким образом, имя могло означать либо «богач, рождённый в понедельник», либо «богатый друг».

Фамилия образована по стандартной русской модели с патронимическим суффиксом -ов, который присоединяется к основе имени: Дюсембай → Дюсембаев. Суффикс указывает на принадлежность («сын Дюсембая»), что типично для фамилий, оформленных уже после вхождения носителей в русскоязычную среду. Географически фамилия Дюсембаевы распространена прежде всего в Казахстане, а также среди тюркских народов России, особенно в Оренбургской, Астраханской областях и в регионах Поволжья.

Иногда в родословных упоминают о связи фамилии с выходцами из Золотой Орды или с половецкой средой. Такие отсылки — общее место для многих восточных фамилий, попавших в дворянские списки России в XV–XVII веках. Однако для Дюсембаевых эта связь скорее гипотетическая: фамилия не встречается в ранних русских родословных книгах, а её основа — казахское имя, которое закрепилось в крестьянской и казачьей среде, а не в аристократической. Поэтому версия о золотоордынском происхождении менее убедительна, чем прямое образование от живого имени.

В написании фамилии встречается вариант Дюсембаев (с буквой «ё» на месте «е» под ударением), но в документах и переписи закрепилась форма через «е». Фамилия остаётся ярким памятником тюрко-персидского культурного синтеза: в ней соединились иранский корень, тюркский титул и русский суффикс, что делает её интересным примером межъязыкового взаимодействия на границе степной и оседлой цивилизаций.