Фамилия Кулембаева — вариант женского рода от мужской фамилии Кулембаев. В русской традиции такие фамилии образуются по простой модели: к основе мужской фамилии добавляется окончание -а, указывающее на принадлежность женщине (жене или дочери Кулембаева). Поэтому ключ к происхождению лежит в мужском варианте.

Основа фамилии — имя или прозвище Кулембай. Это типичная для тюркских народов (особенно башкир, татар, казахов) двухосновная конструкция: «Кулем» (возможно, от арабского «калим» — «говорящий», «оратор», или диалектного «кулем» — «пепел», «зола») и «бай» (тюркское — «богатый», «хозяин», «господин»). Таким образом, Кулембай — это составное личное имя, которое могло означать «богатый оратор» или, по второй версии, «хозяин золы» (что могло быть прозвищем человека, связанного с гончарным делом или выжиганием угля). Вторая версия менее вероятна для имени, но возможна как прозвище.

География фамилии Кулембаева/Кулембаев указывает на её распространение в Поволжье и на Южном Урале — в Башкортостане, Татарстане, Оренбургской области, а также среди казахских родов. Суффикс -ев в русской записи (вместо тюркского -ов) не случаен: он закрепился в документах XIX века при русификации фамилий, когда окончание -ай превращалось в -аев или -аев. В данном случае исходное «Кулембай» дало «Кулембаев», а не «Кулембайев».

С точки зрения социальной истории, носители этой фамилии в большинстве своём происходили из крестьян-земледельцев или скотоводов, получивших фамилию по имени отца. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано — это однозначно фамилия народная, уходящая корнями в дореволюционную сельскую общину. Редкая особенность: в некоторых переписях XIX века встречается написание «Кулембаевъ» с твёрдым знаком на конце, что для фамилий на -ев нехарактерно и может указывать на региональную особенность письма.