Фамилия Косымбаева — женская форма фамилии Косымбаев, в основе которой лежит тюркское имя Косымбай. Это составное имя, типичное для казахской и других тюркских ономастик: первая часть «Косым» (вариант имени Касым, восходящего к арабскому «Касим» — «делящий», «распределяющий»), вторая — «бай» (древнетюркское «baj» — «богатый», «господин», «хозяин»). Имя Косымбай буквально означает «богатый, как Касым» или «господин Касым». В дореволюционной кочевой среде такие имена давали мальчикам с пожеланием достатка и уважения, а также как форму почтения к предкам или религиозным деятелям.

Фамилия образована по русской патронимической модели с помощью суффикса -ев (после основы на мягкий согласный «б»). В тюркских языках отчества и фамилии не были приняты, поэтому фамилия Косымбаев (и её женская форма) — результат русификации, закрепления родового имени в период переписи населения и паспортизации в XIX–XX веках. По сути, она означает «потомок Косымбая».

Фамилия Косымбаева распространена преимущественно в Казахстане и среди казахской диаспоры. Встречается также в Киргизии и Узбекистане, но реже. В России её можно найти в регионах с компактным проживанием казахов — Оренбургской, Астраханской, Омской областях. Из-за тюркского корня и характерного суффикса фамилия не имеет славянских аналогов, но по структуре схожа с другими казахскими фамилиями на -баев (Аманбаев, Сапарбаев).

С точки зрения социальной истории, носители фамилии Косымбаева — потомки скотоводов, охотников или воинов, так как в казахском обществе имя Косымбай не было элитарным, а скорее народным. В советское время фамилия не меняла форму, так как не содержала «контрреволюционных» элементов. Сегодня это одна из распространённых казахских фамилий, не имеющая негативных или устаревших коннотаций.