Фамилия Дюсембинов — яркий пример того, как русская словообразовательная модель наложилась на тюркское личное имя. Её основа — мужское имя Дюсембин, которое восходит к казахскому «дүйсенбі» — «понедельник». У многих тюркских народов, особенно у казахов, была традиция давать ребёнку имя по дню недели, в который он родился. Так появились имена Жексенбай (воскресенье), Сейсенбай (вторник), Сәрсенбай (среда) и другие. Дюсембин, таким образом, означает «рождённый в понедельник» или просто «понедельник».

К имени Дюсембин добавили типичный русский патронимический суффикс -ов, который в фамилиях указывает на принадлежность («чей?»). Получилось Дюсембинов — «сын Дюсембина». Этот способ образования — взятие тюркского имени и прибавление русского окончания — массово использовался в XIX–XX веках при документировании населения Средней Азии и Казахстана, когда составлялись метрические книги и списки. Поэтому подавляющее большинство носителей фамилии Дюсембинов — казахи, а также представители других тюркских народов, жившие в контакте с русской администрацией.

Фамилия не слишком распространена, её ареал чётко привязан к Казахстану и приграничным регионам России (Астраханская, Оренбургская области). Встречаются варианты с другим ударением (Дюсемби́нов) и реже — с суффиксом -ев (Дюсембинев), но это уже искажения при записи. Сословно предки Дюсембиновых, скорее всего, были простыми скотоводами или крестьянами-казахами, не входившими в состав знати (султанов или баев), поскольку имена по дням недели чаще давали в народной среде, а не в аристократических родах, где ценились более сложные арабские или персидские имена.