Фамилия Карымбаев — яркий пример тюркской модели образования фамилий, распространённой у казахов, киргизов, башкир и других народов региона. Её основа — личное имя Карымбай, которое состоит из двух частей: «Карым» и «бай». Слово «бай» в тюркских языках означает «богач», «хозяин», «господин» и часто входило в состав имён как пожелательный компонент (ср. Садыкбай, Алтынбай). Первая часть, «Карым», имеет несколько трактовок. Наиболее вероятная — от древнетюркского «кары» («старый», «почтенный»). В этом случае имя Карымбай переводится как «почтенный богач» или «уважаемый господин». Возможна и связь с арабским словом «карим» («щедрый», «благородный»), которое через исламскую культуру вошло в тюркские языки, но в форме «Карым» оно встречается реже, чем «Карим».

Фамильный суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягких согласных) — русский патронимический показатель, который добавили при оформлении фамилий в XIX–XX веках. Таким образом, Карымбаев буквально означает «сын (или потомок) Карымбая». Это типичная модель для народов, вошедших в состав Российской империи: тюркское личное имя + русский суффинг принадлежности.

Географически фамилия тяготеет к Казахстану и Киргизии, а также к тем регионам России, где исторически проживают казахи (Оренбургская, Астраханская области, Алтай). Встречаются варианты написания: Карымбаев, Карымбайев (встречается реже, как калька с казахского «Қарымбаев»). Сословно предки носителя фамилии, скорее всего, относились к кочевым скотоводам или оседлым земледельцам, а имя Карымбай могло указывать на уважаемого старейшину рода или зажиточного хозяина. Прямых документальных упоминаний фамилии в дореволюционных источниках мало — это говорит о том, что она оформилась сравнительно поздно, в период массовой фиксации фамилий у тюркских народов в конце XIX — начале XX века.