Фамилия Халембек — редкий для России случай, когда восточное имя скрестилось с немецкой фамильной моделью. В основе лежит арабское имя Халим (Halim), которое переводится как «кроткий», «терпеливый», «добрый». Это одно из имён Аллаха в исламе (аль-Халим — «Всепрощающий»), но его часто давали и мальчикам как личное имя с пожеланием мягкого нрава. Вторая часть «-бек» — тюркский титул, означавший князя, господина или предводителя. В составе фамилий (Алибек, Узбек, Турсунбек) он указывал на знатное происхождение носителя или просто на уважительное обращение.

Так что Халембек — это сложение двух смыслов: «кроткий господин» или «терпеливый князь». Подобные двусоставные имена широко бытовали у народов Средней Азии, Кавказа и Поволжья (особенно у татар и башкир), где арабская лексика смешивалась с тюркской титулатурой. Фамилия, скорее всего, образована от имени деда или отца без дополнительных русских суффиксов — просто путём закрепления полного имени в качестве родового прозвания. Это нетипично для русской ономастики, где преобладают модели на -ов/-ев, -ин, -ский, но встречается у народов, которые долго сохраняли патронимическую систему без русификации.

Поскольку фамилия не прошла через стандартный русский суффикс, её география, вероятно, привязана к регионам с тюрко-мусульманским населением: Татарстан, Башкортостан, Казахстан, а также к среде кавказских народов (кумыки, ногайцы). Встречаются и варианты написания — Халимбек, Халембеков, где добавлен русский суффикс -ов, что уже указывает на более позднюю адаптацию в документах Российской империи.

Сословно носители такой фамилии могли относиться к служилым татарам, башкирским старшинам или горским узденям — то есть к местной знати, которая имела титул «бек» и носила арабское имя. В советское время фамилия осталась без изменений, так как не требовала переделки в паспортах. Сегодня она крайне редка; в открытых базах данных встречаются единичные носители, в основном в Татарстане и среди казахов.