Фамилия Карамбаев — редкий случай, когда тюркская основа почти не вызывает споров, а вот суффиксальная часть заставляет задуматься. Корень здесь, скорее всего, восходит к тюркскому личному имени Карамбай, где «карам» (щедрость, великодушие) плюс «бай» (богатый, хозяин). Имя Карамбай давали с пожеланием, чтобы мальчик вырос щедрым и состоятельным человеком. Такая модель образования — имя + показатель принадлежности — типична для многих тюркских народов: казахов, башкир, татар, узбеков.

Но вот суффикс «-ев» вместо ожидаемого «-ов» — деталь, которая выбивается из стандартной русской адаптации тюркских фамилий. В большинстве случаев тюркские основы на согласный (Карамбай, Тугай, Сапай) получают в русской записи суффикс «-ев»: Карамбаев, а не Карамбайов. Это не ошибка, а фонетическое упрощение: конечный «й» основы сливается с суффиксом, давая «-ев». Если бы фамилия оформлялась по канонам русской грамматики XIX века, мы бы видели форму Карамбайов, но язык выбрал более короткий вариант. Такая же история с фамилиями Тугаев, Сапаев или Алтаев.

Географически фамилия Карамбаев чаще всего встречается среди народов Поволжья и Приуралья — у башкир и татар, реже у казахов. В башкирской среде имя Карамбай было известно с давних пор, и фамилия могла закрепиться за родом, основатель которого носил это имя. В русских документах XVIII–XIX веков такие фамилии фиксировались при переписях и ревизских сказках, когда крестьянам и служилым людям присваивали фамилии по имени отца.

Сословная принадлежность носителей фамилии Карамбаев, скорее всего, была крестьянской или казачьей. В Оренбургской и Уфимской губерниях, где фамилия встречается чаще, её могли носить как государственные крестьяне, так и башкиры-вотчинники. Дворянских родов с такой фамилией в исторических источниках не прослеживается — это фамилия народная, без гербов и громких титулов.

Если сравнивать Карамбаева с однокоренными фамилиями, то здесь интересна пара Карамбаев — Карамзин. Фамилия Карамзин образована от того же корня «карам», но с другим тюркским суффиксом «-зын» (Карамзын), и её носил знаменитый историк. Карамбаев же остался в тени, но от этого не потерял своей ясной этимологии: предок носителя фамилии был человеком, которого в народе звали Карамбай — «щедрый богач».