Фамилия Кембаев — редкий случай, когда тюркская основа и русский суффикс дают неожиданный результат. Если бы не окончание -ев, её можно было бы принять за казахскую или киргизскую: корень «Кембай» (или «Кенбай») встречается в Средней Азии и Поволжье. Но присоединение русского патронимического суффикса (-ев, реже -ов) однозначно указывает: фамилия сформировалась в среде, где действовали законы русской грамматики — скорее всего, у татар, башкир или казахов, попавших в зону русского административного учёта в XIX веке.

Основа «Кембай» — сложное имя, типичное для тюркской ономастики. Первая часть «кем» (или «кен») в разных диалектах означает «широкий, просторный» либо восходит к древнетюркскому «кенг» — «простор, широта». Вторая часть «бай» — «богатый, господин, хозяин». В сумме имя Кембай могло значить «широко богатый» или «обладающий простором» — не столько про деньги, сколько про владение землёй, статус. В ряде говоров «кем» путают с «кен» (здоровый, крепкий), так что возможен и оттенок «крепкий богатырь». Имя было популярно у ногайцев, башкир и казанских татар.

Интересная деталь: в некоторых тюркских языках слово «кем» означает «кто». Имя Кембай тогда трактуется как обращение-вопрос: «Кто здесь хозяин?» — или как оберег, защищающий от сглаза. Такая модель (вопросительное слово + бай) встречается, но реже: обычно в именах-оберегах, которые давали слабым детям, чтобы отвести злых духов.

Географически фамилия Кембаев тяготеет к Оренбургской области, Башкортостану и северо-западу Казахстана (Актюбинская область). В переписях XIX века её носители — чаще государственные крестьяне из тептярей или башкир, реже — казаки. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано: это стопроцентно крестьянская или казачья фамилия, возникшая в результате фиксации отчества в официальных документах.

С точки зрения словообразования всё прозрачно: от личного имени Кембай через притяжательное прилагательное «Кембаев сын» (то есть «сын Кембая») к фамилии. Суффикс -ев, а не -ов, указывает на мягкую или йотированную основу (Кембай — Кембаев). Такая модель типична для русских фамилий тюркского происхождения: ср. Ахметов, Батыев, Сафаев.