Фамилия Касембаева — женская форма мужской фамилии Касембаев, которая образована по типичной для тюркских народов модели: личное имя + компонент «бай» (в прошлом — «богач», «хозяин», позже — уважительный титул). Основа здесь — имя Касем (или Касым), арабского происхождения, означающее «разделяющий», «распределяющий». В исламской традиции это одно из имен пророка Мухаммеда, которое носил его сын, поэтому имя широко распространено у мусульманских народов. Суффикс «-ев» (и его вариант «-ов») — русский патронимический суффикс, который добавили при оформлении фамилии в документах Российской империи, чаще всего в XIX — начале XX века. Таким образом, буквально Касембаев — это «сын Касема-бая», то есть потомок человека по имени Касем, которого уважительно называли «баем».

Географически фамилия наиболее вероятна среди казахов, киргизов, башкир или татар — народов, где имя Касым встречается часто, а компонент «бай» в фамилиях типичен. Встречается также вариант написания Касымбаева, что указывает на ту же основу, но с более точной передачей звучания через «ы». Разница в написании — результат разной традиции записи имени в метрических книгах или паспортах: в дореволюционной России арабское имя могли записать и как «Касем», и как «Касым».

Интересная деталь: в некоторых случаях фамилия может быть связана не с личным именем, а с прозвищем или названием рода. У казахов, например, есть род Касым в составе племени Аргын или Среднего жуза. Если предок был из этого рода, то «Касембай» могло означать «богач из рода Касым». Однако это более редкая версия, так как для родовых названий чаще использовали притяжательные формы без суффикса «-бай». Основной и наиболее правдоподобный путь — от имени Касем с добавлением «бай» как социального маркера: предок был либо зажиточным человеком, либо просто уважаемым старейшиной, и это закрепилось в фамилии.