Фамилия Имамбаева образована по распространённой в тюркских языках модели: к мужскому имени или прозвищу добавлялся аффикс принадлежности -бай, означающий «богатый», «хозяин», «господин». В данном случае основа — «имам» (арабское imām — «предстоятель на молитве», «духовный глава»). Полное имя Имамбай, таким образом, можно перевести как «богатый, как имам» или «имам-господин»: в кочевых обществах так могли назвать мальчика, желая ему достатка и уважения, либо закрепить за человеком, который выделялся религиозностью или знанием Корана.

Суффикс -ева — это русский патронимический показатель, который добавили при оформлении фамилии в документах. У башкир, татар, казахов и других тюркских народов Российской империи в XIX — начале XX века фамилии часто создавали именно так: брали имя отца (в данном случае Имамбай) и присоединяли окончание -ов/-ев для мужчин или -ова/-ева для женщин. Поскольку Имамбаева — форма женского рода, её носительница — женщина, а мужской вариант фамилии — Имамбаев.

Географически фамилия встречается прежде всего в Башкортостане, Татарстане, а также в Оренбургской и Челябинской областях — регионах, где исторически компактно проживают башкиры и татары. У башкир имя Имамбай фиксируется ещё в дореволюционных метрических книгах, что указывает на давнюю традицию. Встречается она и среди казахов, но реже: в казахской среде более типична форма Имамбай с окончанием -ұлы/-қызы, а не русский суффикс.

С точки зрения словообразования примечательно, что фамилия сохранила полную форму имени-основы без усечения. В отличие, например, от фамилии Имамов (где суффикс -ов присоединён прямо к «имам»), Имамбаева включает компонент -бай, который сам по себе был отдельным именем или титулом. Это делает фамилию более «прозрачной» для тюркской ономастики: она буквально означает «принадлежащая потомку Имамбая».