Фамилия Кулембетова — женская форма, а её мужской вариант Кулембетов — один из тех случаев, когда русская модель фамилии на -ов скрывает тюркское по происхождению имя. Разбирать её стоит с корня, потому что именно он указывает на этнические корни предков.

В основе фамилии лежит личное имя Кулембет. Это составное имя, типичное для тюркских языков (особенно башкирского, татарского, казахского). Первая часть, «Кулем», восходит к арабскому «Кулам» или тюркскому варианту, означающему «раб» или «слуга» (в религиозном контексте — «раб Божий»). Вторая часть, «бет» (или «бек», «бай»), — распространённый компонент, означающий «господин», «князь», «сильный». Таким образом, имя Кулембет можно перевести как «раб господина» или «слуга владыки». Такая модель (раб + господин) встречается во многих мусульманских именах, например, Кулмухаммет (раб Мухаммеда).

Фамилия образована по стандартной русской патронимической схеме: к основе Кулембет добавили суффикс -ов, что буквально означает «сын Кулембета». Окончание -а в женском варианте — грамматическая форма принадлежности.

Географически фамилия Кулембетова/Кулембетов чаще всего встречается среди башкир и татар, особенно в Башкортостане, Оренбургской и Челябинской областях. В дореволюционной России такие фамилии нередко фиксировались у тептярей — сословия, близкого к башкирам, и у мишарей (татар-мишарей). Это значит, что предки носителя фамилии, скорее всего, были не крепостными крестьянами, а либо государственными, либо военно-служилыми людьми — например, казаками или вотчинниками, владевшими землёй на правах башкирского или татарского рода.

С точки зрения словообразования, фамилия не содержит редких суффиксов: -ов — один из самых частых в русском ономастиконе. Но её ценность именно в корне, который сохранил доисламское или раннеисламское имя, не утратившее популярности в тюркской среде. Встречаются однокоренные фамилии — Кулембеков, Кулембаев, Кулембаков — но Кулембетов стоит особняком, так как вторая часть имени (бет) менее распространена, чем бек или бай.

Известных носителей фамилии в открытых источниках немного, что говорит о её локальном и не слишком массовом характере. Это не фамилия дворянского рода, а скорее фамилия крестьянской или казачьей семьи, которая в XVIII–XIX веках получила русское окончание при записи в метрические книги.