Фамилия Илимбаева — женская форма фамилии Илимбаев, и её разумно начинать с конца, с суффикса. Модель на -баев типична для тюркских фамилий, особенно башкирских и татарских. В этих языках суффикс -бай входил в состав мужских имён и прозвищ как обозначение богатства, хозяина или просто усилительная частица. В русской записи это превратилось в -баев, и фамилия стала склоняться по образцу русских фамилий на -ов. Илимбаева, таким образом, означает «дочь или жена Илимбая».

Основа — Илим. Это не случайный набор звуков. Илим в тюркских языках (башкирском, казахском) означает «знание», «наука». Имя Илимбай в буквальном переводе — «богатый знанием» или «знающий хозяин». В дореволюционной среде, где грамотность была редкостью, такое имя давали ребёнку с пожеланием ума и учёности, либо оно могло быть прозвищем человека, который выделялся начитанностью или умением вести счёт. Встречается и другой корень: в некоторых говорах «илим» — это «лекарство» или «знахарство», что тоже отсылает к уважаемому в деревне человеку — знахарю или народному врачевателю.

Географически фамилия Илимбаева тяготеет к южному Уралу и Зауралью. Это зона расселения башкир, особенно в Белорецком, Баймакском, Хайбуллинском районах Башкортостана. Встречается она и у оренбургских татар. Сословно предки носителя фамилии, скорее всего, были башкирами-вотчинниками (то есть коренными землевладельцами) или тептярями — особым сословием, которое в XVII–XIX веках селилось на башкирских землях на условиях аренды. Ни дворянства, ни крепостного права в классическом русском понимании у этой фамилии не было.

Редкость фамилии в том, что она почти не встречается за пределами Башкортостана и соседних областей. Если фамилия Илимбаева попала в европейскую часть России, это почти наверняка след миграции XX века: индустриализация или эвакуация заводов в годы войны. В самой фамилии сохранился архаичный пласт тюркской антропонимики — двойная конструкция, где имя-пожелание (Илим) скреплено с титульной частицей (-бай), что характерно для имён, возникших до массовой исламизации региона в XVIII–XIX веках.