Фамилия Хайремдинов — редкий случай, когда основа не славянская, а тюркская, и при этом фамилия оформлена по русской модели с суффиксом -ов. Это значит, что предки носителя фамилии жили на территории, где русская администрация или церковь фиксировали татарские, башкирские или казахские имена и прозвища, добавляя к ним стандартное русское окончание.

В основе фамилии лежит мужское личное имя Хайремдин (варианты: Хайрутдин, Хайретдин). Оно арабского происхождения, сложное: «хайр» (خير) переводится как «добро», «благо», а «дин» (دين) — «вера», «религия». В сумме имя означает «благо веры» или «добро религии». Это типичное мусульманское теофорное имя, распространённое среди татар, башкир, казахов и других тюркоязычных народов, исповедующих ислам. Ударение в фамилии, скорее всего, падает на последний слог — Хайремдино́в, хотя в бытовой речи возможны варианты.

Суффикс -ин в фамилии не появился, хотя имя заканчивается на согласный. В русской ономастике -ов — самый массовый суффикс, и для тюркских имён его использовали чаще, чем -ин, даже если имя заканчивалось на твёрдый согласный. Поэтому Хайремдинов, а не Хайремдинин. Фамилия могла возникнуть в XV–XIX веках, когда русские писцы переписывали татарских мурз, башкирских старшин или крещёных татар, фиксируя их по отцу: «Иван Хайремдинов сын» означало «сын Хайремдина».

Географически фамилия тяготеет к регионам с компактным проживанием татар и башкир — Татарстан, Башкортостан, Оренбургская, Челябинская, Ульяновская области. Встречается она нечасто, поэтому носители, скорее всего, имеют общее происхождение из одного села или волости. В среде крещёных татар (кряшен) фамилия могла закрепиться раньше, так как христианизация часто сопровождалась ускоренной русификацией имён.

Написание фамилии устойчиво: через «е» в первом слоге (Хайремдинов), а не через «и» (Хайримдинов). Это указывает на конкретный диалектный вариант произношения имени — с редукцией гласного в безударной позиции. Если бы имя записывали по арабскому письму, то написали бы «Хайр ад-Дин», но в живой речи тюркских языков оно стянулось до «Хайремдин». Таким образом, фамилия хранит не только религиозный смысл, но и местное произношение, которое могло отличаться от литературной нормы.