Фамилия Есембаев образована по модели, типичной для тюркских народов: к основе прибавили русский патронимический суффикс -ев. Основа — мужское имя Есенбай. В нём два компонента: «есен» (с казахского — «здоровый, крепкий») и «бай». Словом «бай» в Казахстане, Средней Азии, Якутии и на Алтае называли крупного землевладельца или скотовладельца, то есть богатого и влиятельного человека. Получается, что имя Есенбай означало «здоровый, крепкий господин».

Давая такое имя, родители вкладывали в него пожелание: чтобы ребёнок вырос и богатым, и физически крепким. Со временем от имени Есенбай образовалась фамилия Есембаев. Написание через «е» в первом слоге — результат адаптации тюркского звучания к русской графике: в разговорной речи гласный мог редуцироваться, и на письме это закрепилось как «Есембаев», хотя исходное имя — Есенбай.

Фамилия распространена преимущественно в Казахстане и среди казахов, живущих в России, особенно в приграничных с Казахстаном регионах. Встречается и вариант Есенбаев — он ближе к исходному имени. Обе формы указывают на одно происхождение: предок носителя фамилии носил имя Есенбай.