Фамилия Халимбаева — женская форма, а её мужской вариант — Халимбаев. Словообразовательная модель здесь прозрачна: тюркское имя или прозвище плюс русский патронимический суффикс -ев. Это типичный случай, когда фамилию русифицировали по окончанию, добавив к основе, оканчивающейся на согласный, суффикс -ев (а не -ов, как было бы после твёрдого согласного вроде «б» — но в тюркских языках конечный «б» звучит мягче, отсюда и разница). Такой способ образования массово применяли в XIX — начале XX века при записи нерусских фамилий в метрические книги.

Основа — «Халимбай». Это составное имя, где первая часть «Халим» восходит к арабскому «халим» — кроткий, мягкий, терпеливый (один из эпитетов Аллаха). Вторая часть — тюркское «бай»: богатый, господин, хозяин. В дореволюционной Средней Азии и Поволжье «бай» могло быть как частью имени, так и социальным маркером зажиточного человека. Таким образом, Халимбай — «богатый кротостью» или «кроткий господин». Имя популярно у башкир, татар и казахов, реже встречается у других тюркских народов.

Географически фамилия Халимбаева чаще всего встречается в Башкортостане, Татарстане и Челябинской области. Это говорит о том, что предки носителей фамилии, скорее всего, были башкирами или татарами, жившими в Урало-Поволжском регионе. Сословно они могли относиться к крестьянам или мещанам — «бай» в фамилии не обязательно указывает на богатство, часто это просто дань традиции именования.

Спорных версий у фамилии практически нет: тюркская основа и русский суффикс очевидны. Единственное, что может сбивать с толку, — написание через «а» после «м»: Халимбаева, а не Халимбоева или Халимбеева. Это связано с тем, что в тюркских языках гласный второго слога редуцируется, и при передаче кириллицей его фиксируют как «а», хотя в оригинале мог быть звук, близкий к «а» или «ы». Так что фамилия сохранила фонетику исходного имени без искажений.