Фамилия Карамирзаев — тюркско-персидский гибрид, который редко встречается в русском ономастиконе. Её основа — составное имя Карамирза, где первая часть «кара» с тюркских языков (татарского, кумыкского, азербайджанского) переводится как «чёрный» или «тёмный», а в контексте личных имён часто означала «сильный», «могучий» или просто «большой». Вторая часть — «мирза» (от персидского «мирза» — «сын эмира», «князь», «писарь»). Получается, что Карамирза — это либо «чёрный князь» (по цвету волос или смуглой коже), либо «великий господин», либо «писарь при тёмном деле». Точное значение размыто, но очевидно, что имя указывало на знатное или служилое происхождение носителя.

Фамилия образована по русской модели с суффиксом -ев, который присоединяется к основам на мягкий согласный или -й (в данном случае к конечному -а в имени Карамирза). Это типичный способ русификации тюркских фамилий в XIX–XX веках, когда отчество или прозвище отца превращалось в наследственную фамилию. Карамирзаев буквально означает «потомок Карамирзы». Суффикс -ев здесь не указывает на сословие — в отличие от дворянских фамилий на -ский, эта модель была массовой и у крестьян, и у мещан, и у казаков.

Географически фамилия тяготеет к регионам с сильным тюркским субстратом: Дагестан, Чечня, Азербайджан, а также татарские и башкирские области. Встречается и у горских евреев (горские евреи нередко носили имена с компонентом «мирза»). В русских переписях XIX века Карамирзаевых почти нет — фамилия оформилась поздно, вероятно, при паспортизации в советское время, когда многие носители тюркских имён получили фамилии по отцу.

С точки зрения словообразования интересно, что основа не усекается: полное имя Карамирза перешло в фамилию целиком, без потери конечного гласного. Это отличает её от фамилий вроде Карамышев (от Карамыш), где основа редуцировалась. Такая сохранность — признак относительно позднего оформления и письменной фиксации, а не устной традиции.

Спорный момент — могла ли фамилия возникнуть от прозвища, а не от имени. В тюркской среде «кара» могло быть частью прозвища по роду занятий (например, «кара» — «чёрный люд», «простолюдин»), но в паре с «мирза» (знатный титул) это даёт оксюморон. Вероятнее, что Карамирза — именно личное имя, данное по внешности или как охранительное имя (чтобы отвести сглаз, назвав ребёнка «чёрным»). Вторая версия правдоподобнее: у тюркских народов «кара» в именах часто использовалось как оберег, а «мирза» добавляло благородства.