Фамилия Кармалеева — женская форма, а её мужской вариант Кармалеев образован от прозвища или имени Кармалей. В основе лежит тюркский корень: слово «карма» в ряде тюркских языков означает «смотреть, глядеть» или «наблюдать», а «лей» — аффикс, образующий имя деятеля. Таким образом, Кармалей — это «зоркий», «наблюдательный», «тот, кто видит далеко» или даже «дозорный». Прозвище могли дать человеку с острым зрением или тому, кто нёс сторожевую службу.

Модель образования типична для русских фамилий тюркского происхождения: к основе на -ей добавили русский патронимический суффикс -ев (Кармалей → сын Кармалея → Кармалеев). Суффикс -ев, а не -ин, указывает на то, что основа заканчивается на согласный или йот — здесь как раз случай с конечным -й. Вариант с двойным -ее- (Кармалеева) возник из-за слияния суффикса и окончания при склонении.

Географически фамилия встречается в Поволжье и на Урале — в регионах, где исторически смешивались русское и тюркское население: в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской и Самарской областях. Это подтверждает гипотезу о её тюркских корнях, скорее всего, татарских или башкирских. В этих краях Кармалеевы могли быть потомками служилых татар или крещёных инородцев, которые получили фамилию по прозвищу предка.

Есть и другая, менее вероятная версия: связь с арабским именем Караматулла (в значении «щедрость Аллаха»), которое в народной речи могло сократиться до Кармалей. Но тогда фамилия писалась бы через начальное «Кара» (Карамалеев), а не «Кар». Первый вариант — с «карма» как «зрение» — исторически и лингвистически убедительнее, особенно с учётом ареала бытования.

Редкость фамилии говорит о том, что род был немногочисленным или локально сосредоточенным. Сословная принадлежность предков не прослеживается однозначно: среди Кармалеевых могли быть и крестьяне, и мещане, и даже купцы, но без массовых переписей точных данных нет.