Фамилия Илембаева — редкий случай, когда географический и языковой указатель почти наверняка сужает поиск до одного региона. Её основа — тюркское мужское имя Илембай, которое состоит из двух частей: «илем» (мир, народ, племя) и «бай» (господин, богач, хозяин). Таким образом, Илембай — это «владыка народа» или «богатый родом», имя-пожелание, типичное для башкирской и татарской антропонимии.

Словообразовательная модель проста: к основе Илембай добавлен притяжательный суффикс -ев, а затем фамилия русифицирована окончанием -а. Изначально это была фамилия мужа (Илембаев), а женский вариант Илембаева закрепился как фамилия по отцу или мужу. Суффикс -ев указывает на происхождение от имени, оканчивающегося на согласный или -й, что типично для тюркских заимствований в русской фамильной системе.

Основной ареал фамилии — южный Урал и Зауралье, прежде всего Башкортостан и Челябинская область. Встречается она и у казахов, но с тем же корнем. В русских переписных книгах XVII–XVIII веков такие фамилии не фиксировались: они массово оформлялись позже, в XIX веке, при переходе башкир и татар к оседлому образу жизни и паспортному учёту.

Примечательная деталь: в отличие от многих фамилий на -баев, где корень «бай» встречается часто, сочетание «илем» редкое. Оно не связано с каким-либо ремеслом или прозвищем, а прямо указывает на личное имя предка, который, вероятно, пользовался авторитетом в своей общине. Других версий происхождения, например от географического названия, для этой фамилии не предложено — тюркская антропонимическая основа здесь бесспорна.