Фамилия Кимбаев — классический пример русской фамилии, образованной по тюркско-монгольской модели. Её основа, суффикс и география бытования указывают на то, что предки носителя этой фамилии, скорее всего, были выходцами из тюркоязычной или монголоязычной среды, принявшими русское подданство и получившими фамилию по отцу.

Словообразовательная модель здесь прозрачна: тюркское или монгольское личное имя Кимбай (Кимба) плюс русский патронимический суффикс -ев, который присоединялся к основам на -й. Фамилия на -ев, а не на -ов, — не случайность, а прямое указание на то, что исходное имя оканчивалось на мягкий согласный или йот. Такая модель типична для фамилий, возникших в XVI–XVIII веках на территориях, где русские чиновники и священники адаптировали местные имена под русскую фамильную систему.

Само имя Кимбай составное. Первая часть, Ким, восходит к тюркскому ким — «человек, кто» (в значении «некто», «некий»), либо к монгольскому хим — «человек». Вторая часть, бай, — это тюркское «богач, хозяин, господин», широко распространённое в именах знати и зажиточных людей. Таким образом, Кимбай можно перевести как «богатый человек» или «господин». Встречается и другая трактовка: Кимбай как вариант имени Кинбай, где кин — «широкий, просторный», то есть «просторный богач». Обе версии укладываются в традицию давать детям «благопожелательные» имена, сулящие достаток и положение.

Географически фамилия Кимбаев наиболее характерна для Поволжья, Приуралья и Западной Сибири — регионов, где исторически жили татары, башкиры, казахи, ногайцы. Встречается она и у калмыков, где имя Кимба (Кимбай) имеет буддийские корни (от тибетского — «планета Сатурн» или «защитник»). Сравнение с однокоренными фамилиями — Кимбаров, Кимбатов, Кимбаевский — показывает, что Кимбаев — самая распространённая форма, закрепившаяся именно в русском ономастиконе.

Социальный статус первых носителей мог быть разным: от рядовых кочевников до мелких служилых людей, которые несли сторожевую службу на границах Московского государства. В метрических книгах XIX века Кимбаевы фиксируются как государственные крестьяне, реже — как мещане. Дворянских родов с этой фамилией не известно, что косвенно подтверждает её «народное» происхождение.

Спорных версий немного. Иногда Кимбаев пытаются вывести из русского диалектного слова кимба — «неуклюжий человек», но это маловероятно: фамилия почти не встречается в центральных русских губерниях, а её ареал чётко совпадает с зоной тюркского влияния.