Фамилия Казахмаева — редкий случай, где географическое прозвище почти наверняка перевесило этническое. Основа фамилии — «казах» — не обязательно указывает на национальность предка. В русской традиции XVI–XIX веков «казахом» или «казаком» могли прозвать человека, который долго жил в казахских степях, торговал с кочевниками, служил в пограничных линиях, а то и просто перенял их манеру одеваться или ездить верхом. Второй элемент «-май» — тюркское имя или прозвище, распространённое у башкир, татар и казахов (ср. Майлыбай, Майкан). Скорее всего, прозвище «Казахмай» означало «казах по имени Май» или «казах, похожий на Мая» — так русские приказчики или переселенцы могли окрестить конкретного человека.

Фамилия образована по типичной русской модели: прозвище Казахмай + патронимический суффикс -ев (сын Казахмая). Ударение, судя по произносительной практике, падает на второй слог: Казахма́ев. Женская форма Казахмаева — естественное окончание для фамилий на -ев.

География фамилии узкая. Основные носители — в Оренбургской области, Башкортостане и Челябинской области. Это регионы бывшего Оренбургского казачьего войска и активного смешения русского, башкирского и казахского населения. Здесь прозвище «казах» не было обидным — скорее, указывало на род занятий или место жительства.

Сравните с однокоренными фамилиями: Казаков (самая частая), Казаченко, Казахбаев, Казахманов. Казахмаева отличается тем, что в основе — не просто «казах», а составное прозвище, что редкость. Написание с буквой «з» (а не «с») закрепилось в письменных документах, хотя в говорах могло звучать и «Касахмаев». Вариант с «с» встречается, но реже.

Социальный состав носителей — в основном крестьяне и казаки. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано. В метрических книгах XIX века Казахмаевы числятся государственными крестьянами и казаками Оренбургской губернии. Фамилия не переводилась на другие языки, оставаясь русской по форме.