Фамилия Кембаева образована по тюркской модели с помощью притяжательного аффикса -ев/-ова, который в русской традиции закрепился за женской формой. Мужской вариант — Кембаев. Основа фамилии восходит к личному имени Кембай, которое состоит из двух частей: «кем» и «бай». Первая часть — «кем» — может означать «кто» (вопрос) или, что вероятнее, восходит к тюркскому корню «кем» (кеме, ким) со значением «человек», «личность». Вторая часть — «бай» — классический тюркский титул, означающий «богатый», «господин», «хозяин». В дореволюционной Средней Азии и Казахстане «бай» было распространенным элементом имен, указывавшим на состоятельность или уважаемое положение.

Таким образом, имя Кембай можно перевести как «богатый человек» или «господин». Изначально это было прозвище или личное имя, которое давали ребенку с пожеланием достатка и авторитета. Встречается такой тип имен у казахов, киргизов, башкир и других тюркских народов. Фамилия Кембаева, скорее всего, имеет казахское происхождение, так как в русских документах XIX — начала XX века фиксация тюркских фамилий с компонентом «бай» особенно характерна для казахских родов.

В отличие от славянских фамилий, где суффикс -ов/-ев присоединялся к основе отца, у тюркских народов фамилии часто закреплялись уже в советское время на основе родового имени или прозвища предка. Поэтому предок носителей фамилии Кембаев мог быть не просто обладателем имени Кембай, а представителем рода, где это имя стало родовым знаком. Встречается фамилия преимущественно в Казахстане, а также в регионах России с тюркским населением — Оренбургской, Астраханской областях, Татарстане.

С точки зрения словообразования, это типичная «фамилия-патроним» в тюркском варианте: от личного имени с помощью русского суффикса. Интересно, что форма Кембаева (женская) в русском языке не меняет смысла, а лишь указывает на пол носителя. Если рассматривать однокоренные фамилии — Кембаев, Кембай, Кембайулы — все они тяготеют к одному корню, но различаются степенью русификации. Фамилия Кембаева — наиболее адаптированная к русской грамматике, что говорит о длительном контакте носителей с русской административной системой.