Фамилия Кайрамбаев — редкий случай, когда основу почти наверняка можно связать с тюркским личным именем, но точное значение этого имени вызывает споры. Корень здесь — «Кайрамбай» или «Кайрамба», где вторая часть «-бай» означает в тюркских языках «богач», «хозяин», «господин». Первая же часть, «кайрам», менее прозрачна. Самая правдоподобная версия возводит её к древнетюркскому глаголу со значением «щадить», «миловать» или «беречь». Тогда Кайрамбай — это имя-пожелание: «тот, кого бережёт богатство» или «милостивый господин». Менее убедительна гипотеза о связи с казахским «қайрам» (зарубка, метка) — маловероятно, что такое конкретное слово стало основой для личного имени, а затем фамилии.

Фамилия образована по самой типичной для тюркских народов модели: к личному имени Кайрамбай добавили русский патронимический суффикс -ев. Так в XIX — начале XX века, при массовой фиксации фамилий в метрических книгах и переписях, из тюркских имён делали русские фамилии для включения в имперскую бюрократию. Суффикс -ев, а не -ов, указывает, что основа имени оканчивается на мягкий согласный или «й»: Кайрамбай → Кайрамбаев.

Географически фамилия тяготеет к Казахстану, особенно к южным и западным регионам, где распространены имена с компонентом «-бай». В России она встречается редко, в основном среди потомков казахов, переехавших в соседние области — Оренбургскую, Астраханскую, Омскую. Встречаются и варианты написания: Кайрамбаев через «а» в первом слоге — единственно верный для русского языка; в казахской латинице фамилия записывается как Qayrambaev.

Социально предки носителя фамилии, скорее всего, были скотоводами или земледельцами, как и большинство казахов того времени. Сам факт наличия фамилии на -ев говорит о том, что род не принадлежал к высшей аристократии (султанам или торе), у которых фамилии часто фиксировались иначе или вовсе отсутствовали, а к «простому» свободному населению. Ударение в фамилии, по общему правилу для тюркских фамилий на -ев, падает на последний слог: Кайрамба́ев.