Фамилия Имельбаевы — редкий случай, когда географический адрес и личное имя могли слиться воедино. Её основа — тюркское мужское имя Имельбай, которое состоит из двух частей: «имель» (вариант «емель») и «бай» (богач, хозяин). Первая часть неоднозначна. Самое вероятное объяснение — связь с рекой Имель (Емель), притоком Тобола, протекающей на границе современной Челябинской области и Казахстана. В таком случае имя Имельбай означало бы «богач с Имели» или «хозяин этих земель». Менее убедительная гипотеза возводит «имель» к башкирскому «емеле» (кроткий, спокойный) — тогда имя переводится как «спокойный богач», что тоже правдоподобно, но хуже подтверждается топонимикой.

Суффикс «-ев» в окончании указывает на русскую модель образования фамилий от тюркских основ. Когда в XVIII–XIX веках башкир и татар начали массово записывать в метрики, к их именам добавляли стандартные русские патронимические суффиксы. Имельбаевы — это буквально «потомки Имельбая». Фамилия почти не встречается за пределами исторического Башкортостана и соседних регионов (Оренбургская, Челябинская области). Это не случайно: река Имель протекает именно в башкирском Зауралье, и носители имени Имельбай были, скорее всего, местными башкирами или тептярами, которые вели полукочевое скотоводство.

В отличие от многих фамилий на «-баев», у Имельбаевых нет варианта с «-ов» (Имельбаев) — он единственный закрепился в документах. Это говорит о том, что фамилия сложилась поздно и сразу была записана по единому образцу, без диалектных колебаний. Изредка встречается написание через «и» в конце — Имельбаевы, но это просто орфографическая норма.

Сословно предки Имельбаевых, судя по всему, относились к башкирскому дворянству или зажиточным крестьянам. Имя «бай» в основе не могло принадлежать бедняку: так называли владельцев скота и земель. Однако точных сведений о конкретных носителях в дореволюционных источниках мало — фамилия слишком локальная, чтобы попасть в общероссийские справочники. Сегодня Имельбаевы встречаются в основном в Башкортостане и у башкирских диаспор в Татарстане и Челябинской области.