Фамилия Дюйсембаев — яркий пример казахской по происхождению фамилии, которая через русскую административную систему получила славянский суффикс. Её основа — мужское личное имя Дюйсембай, которое состоит из двух частей: «дүйсен» (понедельник) и «бай» (богатый, хозяин, состоятельный человек). В тюркской ономастике имя Дюйсембай давали мальчику, родившемуся в понедельник — день считался удачным для начала дел, и имя должно было принести ребёнку благополучие. Суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягких согласных) — стандартный русский патронимический формант, который в XIX–XX веках добавляли к казахским именам при оформлении фамилий в документах Российской империи и советских загсах. Таким образом, Дюйсембаев буквально означает «потомок Дюйсембая».

Географически фамилия тяготеет к Западному Казахстану, особенно к Актюбинской и Западно-Казахстанской областям, а также встречается среди казахов Оренбуржья и Астраханской области России. Это связано с тем, что имя Дюйсембай исторически было распространено именно в этих регионах, где оседлые и полукочевые группы казахов чаще контактировали с русским делопроизводством. Интересная деталь: в казахской среде параллельно бытует форма Дүйсембаев (с буквой «ү»), но в русскоязычных документах она закрепилась как Дюйсембаев — с «ю» из-за передачи тюркского мягкого «ү» через русскую графику.

С точки зрения социальной истории, носители фамилии Дюйсембаев в массе своей не принадлежали к аристократии (торе или султанам). Имя Дюйсембай было народным, демократичным — его давали в простых скотоводческих и земледельческих семьях. Поэтому предки современных Дюйсембаев — скорее всего, рядовые кочевники или крестьяне, которые в советское время стали рабочими, учителями, врачами. Фамилия не имеет отношения к арабским корням (хотя «бай» — исконно тюркское слово), и её не стоит путать с фамилиями на -баев от арабских имён вроде Джумабай (от «джума» — пятница). Дюйсембаев — чисто календарная, «дневая» фамилия, таких в казахской ономастике много: Жексембаев (суббота), Сенбібаев (суббота в другом диалекте), Жұмабаев (пятница). Разница лишь в том, что понедельник у казахов считается началом трудовой недели, и имя Дюйсембай — одно из самых частых среди «дневой» группы.