Фамилия Кастемирова — редкая, и её происхождение не лежит на поверхности. Чтобы разобраться, нужно отбросить современное звучание и посмотреть на словообразовательную модель. Суффикс -ов указывает на типичную русскую патронимическую модель (чей? — Кастемиров), то есть в основе лежит мужское прозвище или имя Кастемир. Сама же основа явно нерусская: корень «Кастемир» или «Кастимир» встречается в тюркских и иранских ономастиконах. Наиболее вероятная версия — сложение двух основ: «кас» (тюрк. «гусь», либо иран. «искренний, правдивый») и «темир» (тюрк. «железо»). Таким образом, Кастемир могло означать «железный гусь» (символ стойкости и бдительности) или «крепкий, как железо, правдивый».

Встречаемость фамилии крайне низкая, и она почти не фиксируется в классических списках русских фамилий XIX века. Это наводит на мысль, что Кастемировы — относительно поздние выходцы из тюркоязычной среды (татары, башкиры, казахи) или народов Кавказа, где компонент «темир» (Темир, Тимур) широко распространён. В русскую фамилию она превратилась, скорее всего, при переходе на оседлость или при получении паспорта, когда прозвище отца Кастемир записали по стандартной схеме с суффиксом -ов.

Ударение в фамилии, судя по типичной модели, падает на третий слог: Кастеми́рова. Встречается вариант написания с одной «с» — Кастемиров, но он ещё реже. Сравнение с однокоренными фамилиями (Темиров, Касымов, Темирханов) показывает, что Кастемиров стоит особняком: если «Касым» и «Темир» — отдельные имена, то «Кастемир» — составное, что характерно для тюркской антропонимической традиции скрещивать два значимых слова. Прямых исторических документов о происхождении конкретного рода Кастемировых, скорее всего, не сохранилось, но этимологический разбор указывает на восточные корни и на то, что предок носителя фамилии был человеком, которого в его общине называли Кастемиром — возможно, за твёрдый характер или за некое ремесло, связанное с металлом.