Фамилия Исембаев происходит от тюркского (скорее всего, казахского или башкирского) мужского имени Исембай. В основе лежат два компонента: «исем» (в тюркских языках означает «имя», «здоровье» или «память») и «бай» («богатый», «господин», «хозяин»). Таким образом, имя Исембай можно перевести как «богатый именем», «обладающий добрым именем» или «здоровый господин». Фамилия образована по русской модели с суффиксом -ев, который присоединяется к основам, оканчивающимся на согласный или й (в данном случае к основе Исембай-). Это типичный способ русификации тюркских фамилий в XIX–XX веках, когда к родовому имени добавляли русский патронимический суффикс, чтобы вписать носителя в систему фамилий Российской империи.

Географически фамилия Исембаев чаще всего встречается среди башкир, татар и казахов. В Башкортостане и Оренбургской области можно найти деревни с корнем «Исембай» — например, Исембаево в Баймакском районе. Это указывает на то, что предки носителя фамилии могли быть основателями или жителями такого села. Имя Исембай давали мальчикам, чтобы подчеркнуть пожелание здоровья, уважения в обществе и материального достатка. Социальный статус первых носителей был разным: от рядовых скотоводов до зажиточных баев, но фамилия не указывает на конкретное сословие, так как в тюркской среде «бай» в имени могло быть и просто частью личного имени, не обязательно связанной с реальным богатством.

Особенность фамилии в том, что она сохранила редкую начальную форму «Исем-», а не более частую «Ислам-» или «Исма-» (как в фамилиях Исламов или Исмагилов). Это отличает её от однокоренных, но более распространённых Исмаиловых или Исмагуловых. Встречаются варианты написания — Исембаев, Исембайев, но последний менее точен, так как в русской транскрипции конечный «й» имени обычно отсекается перед суффиксом -ев. Если искать дальние параллели, то в тюркской ономастике есть фамилии с тем же корнем «исем»: Исембетов, Исемкулов, но Исембаев — самая распространённая из них.