Фамилия Карамбаева звучит на слух как восточная, но при ближайшем рассмотрении открывает неожиданный пласт истории поволжских степей и Средней Азии. В основе фамилии лежит мужское личное имя Карамбай, которое составное и тюркское. Первая часть, «кара», в тюркских языках означает не только «черный», но и «сильный», «могучий», а также «простой», «народный» (в смысле «чернь»). Вторая часть, «бай», — это «господин», «богач», «хозяин». Таким образом, имя Карамбай могло трактоваться как «черный (или простой) богач» либо «сильный господин». Однако у имени есть и другой возможный смысл: в некоторых тюркских культурах «кара» использовали как оберег, чтобы отвести от ребенка сглаз, — имя буквально значило «черный (то есть незаметный для злых духов) бай».

Суффикс «-ев» в фамилии Карамбаева — классический русский патронимический формант, который присоединяли к тюркским основам при русификации. Он указывает на принадлежность: «чей?» — Карамбаев, то есть сын Карамбая. Женская форма Карамбаева, соответственно, означает «дочь или жена Карамбаева». Такая модель типична для фамилий, которые возникли у оседлых тюркских народов, принявших русское подданство, — например, у татар, башкир, казахов или ногайцев.

География фамилии сегодня размыта, но корни её следует искать в регионах, где смешивались тюркские и славянские культуры: в Поволжье (Татарстан, Башкортостан), на Урале и в Западном Казахстане. Встречается она и у народов Дагестана, где «кара» также означает «черный», а «бай» — «хозяин», но имя могло быть заимствовано через кумыкский язык.

Редкость фамилии в том, что она сохранила архаичную форму имени Карамбай, которое сегодня почти вышло из употребления. В отличие от более частых Карабаевых или Караевых, где корень «кара» слился с другим суффиксом, Карамбаева четко держит двухчастную структуру. Социально предки носителя фамилии, скорее всего, были незнатными людьми — рядовыми общинниками, скотоводами или земледельцами, поскольку имя «Карамбай» в прошлом чаще давали в семьях, не претендовавших на аристократизм, а как раз подчеркивавших простоту и силу.