Фамилия Кукембаев — редкий пример, где корень почти наверняка не русский, а тюркский. С большой вероятностью она происходит от мужского имени Кукембай (или Кукенбай), которое состоит из двух основ. Первая часть — «кук» или «кок» — в тюркских языках означает «синий», «голубой» или «небо». Вторая — «бай» — переводится как «богатый», «господин», «хозяин». Таким образом, имя Кукембай могло означать «небесный богач», «синий господин» или, в переносном смысле, «богатый, как небо». Иногда «кок» в составе имени указывало на небесное покровительство или принадлежность к высшему сословию.

Фамилия образована по русской модели: к тюркскому имени добавили суффикс -ев, который указывает на принадлежность («чей?»). Кукембаев — буквально «сын (или потомок) Кукембая». Окончание -ев, а не более редкое -ин, говорит о том, что основа имени оканчивалась на согласный (Кукембай → Кукембаев). Это типичный способ русификации фамилий в среде казахов, татар, башкир и других тюркских народов, особенно в XIX–XX веках, когда их начали массово записывать в метрики и паспорта.

Географически фамилия Кукембаев почти наверняка привязана к Казахстану или к регионам России с тюркским населением — Оренбургской, Астраханской областям, Башкортостану. Встречается она крайне редко, что делает её хорошим маркером для генеалогического поиска. Если предки носили эту фамилию, скорее всего, они были скотоводами, земледельцами или служилыми людьми из степных родов. В дореволюционных записях фамилия могла писаться иначе, например, Кукембаев или Кукенбаев, с заменой «м» на «н» — это частая описка или вариант произношения.

Интересно, что имя Кукембай не входит в число самых распространённых тюркских имён, таких как Аманбай или Ержан. Оно более локальное и, возможно, происходит от родового прозвища или уменьшительной формы. В ономастических словарях (например, у Б. Унбегауна) подобные модели разбираются на примере фамилий типа Куклев или Коков, но Кукембаев стоит особняком из-за двойного суффикса: основа Кукем- + -бай. Это говорит о том, что имя изначально было сложным, а не односложным.