Фамилия Грамбург — редкий случай в русском ономастиконе, где немецкая топонимическая модель встретилась с восточнославянской почвой. Вопреки первому впечатлению, она не обязательно указывает на немецкое происхождение носителя, хотя корни у неё именно немецкие.

Основа фамилии — немецкий топоним Грамбург (Gramburg). Так назывались поселения в землях Шлезвиг-Гольштейн и Нижняя Саксония. Название, скорее всего, происходит от древневерхненемецкого gram (гневный, суровый) и burg (крепость, замок). То есть «Грамбург» — «суровая крепость» или «крепость Грамма» (по имени основателя). Фамилии на -бург в Германии традиционно давались выходцам из таких городов или владельцам одноимённых замков.

В Россию фамилия попала несколькими путями. Самый вероятный — через немецких колонистов, которых приглашали в XVIII–XIX веках осваивать Поволжье, Новороссию и окраины империи. Среди них были ремесленники, аптекари, пасторы и управляющие. Второй путь — обрусевшие дворяне прибалтийско-немецкого происхождения, служившие в русской армии и администрации. Третий, менее очевидный — еврейские семьи, жившие в черте оседлости, которые могли взять фамилию по названию местечка или как искусственную (в XIX веке еврейскому населению предписали иметь фамилии, и их часто составляли из немецких корней).

Словообразовательная модель проста: фамилия представляет собой чистую основу топонима без славянских суффиксов (-ов, -ин, -ский). Это типично для фамилий немецкого, польского или еврейского происхождения, которые не адаптировали к русской грамматике. В русском языке фамилия склоняется как существительное мужского рода (Грамбург, Грамбурга, Грамбургу), а женский вариант остаётся неизменяемым (Мария Грамбург).

Географически фамилия в России рассеяна, но заметные следы оставила в Санкт-Петербурге, Саратовской области (наследие поволжских колонистов) и на юге Украины. Встречается также в Беларуси и Прибалтике.

Сравнение с однокоренными фамилиями показывает, что Грамбург стоит особняком. В отличие от распространённых Розенберг, Гольдберг или Штейнберг, где компонент -бург встречается реже, Грамбург не имеет массовых вариантов вроде Грамбургов или Грамбургский. Это говорит о том, что фамилия не разрослась в крупный род, а осталась локальной и малочисленной.

Таким образом, предки человека с фамилией Грамбург с высокой вероятностью были выходцами из немецких земель — либо колонистами, либо дворянами, либо горожанами, взявшими фамилию по месту прежнего жительства. Точную сословную принадлежность без генеалогического исследования определить невозможно, но среди носителей фамилии встречались как крестьяне-меннониты, так и офицеры.