Фамилия Кембейлов — одна из тех, что ставит перед исследователем загадку с первой же буквы. В ней нет привычного славянского корня, и её происхождение, скорее всего, связано с тюркскими или иранскими языками, а не с русскими прозвищами. Основа «Кембей» может восходить к личному имени Кембей, которое в свою очередь состоит из двух частей: «кем» (кто, какой, а также в некоторых диалектах — «сила», «могущество») и «бей» (господин, князь, военный предводитель). Таким образом, имя Кембей могло означать «сильный господин» или «знатный воин». Суффикс «-ов» указывает на типичную русскую патронимическую модель: Кембейлов — это «сын Кембея» или «потомок Кембея». Фамилия образовалась, когда имя или прозвище главы семьи закрепилось за его детьми и внуками.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где исторически был силён тюркский компонент: Поволжье, Приуралье, юг Сибири. Встречается она и у русских, и у татар, и у башкир, что говорит о давних межэтнических контактах. В русской среде фамилия могла закрепиться за выходцами из служилых татар или крещёных инородцев, которые в XVI–XVII веках вливались в состав московского дворянства и казачества. В таком контексте Кембейловы могли быть не просто крестьянами, а людьми «приборного» сословия — казаками, стрельцами, толмачами, знавшими языки.

Важно отличать эту фамилию от похожих по звучанию, но иных по корню, например, Кембелов или Кембалов. В них основа могла быть связана с тюркским «кембе» (верблюд) или «кембал» (рыба). У Кембейлова же в основе стоит именно антропоним с титулом «бей», что придаёт фамилии оттенок знатности или воинского статуса предка. В дореволюционных метрических книгах можно встретить и вариант написания «Кембѣйловъ», где буква «ять» в корне указывает на долгий звук «е» в произношении.

Сегодня фамилия остаётся редкой. Встретить Кембейлова можно в основном в Оренбургской, Челябинской областях и в Башкортостане. Носители, как правило, сохраняют память о том, что их предки были «не здешние», а пришли с востока, что подтверждает версию о тюркском происхождении. При этом за века жизни в русскоязычной среде фамилия полностью адаптировалась, и её первоначальное значение уже не осознаётся без специального разбора.