Фамилия Куземсая — редкий пример, где на слух угадывается не славянская, а тюркская основа, но при этом она оформлена по русской словообразовательной модели. Разберём её по частям.

Первая часть, «Кузем», скорее всего, восходит к личному имени Кузем, которое является вариантом мусульманского имени Гузейм, Гузайм (от арабского «маленький газель»). В тюркской среде, особенно у татар и башкир, это имя бытовало в формах Кузем, Гозем. Вторая часть, «сая», — это тюркское слово «сай» или «сая», означающее «овраг», «балка», «сухое русло реки», а также «ложбина» или «долина». В топонимике Средней Азии и Поволжья этот элемент встречается очень часто (например, Карасай — «чёрный овраг»).

Таким образом, фамилия могла образоваться двумя путями. Первый: прозвище «Куземсая» могли дать человеку, жившему у оврага, который называли Куземовым (по имени владельца или первопоселенца). Второй: это могло быть составное тюркское имя Куземсай (буквально «овраг Гузейма»), которое при русификации получило типичное окончание -а/-я, характерное для украинских и южнорусских фамилий. Суффикса -ов или -ин здесь нет, что указывает на более позднюю фиксацию фамилии в документах, когда имя или прозвище записали как есть, без переделки в притяжательную форму.

Географически фамилия Куземсая тяготеет к регионам смешанного тюркско-славянского населения: Оренбуржье, Башкортостан, Татарстан, а также северный Казахстан. В этих местах фамилии на -а/-я, образованные от тюркских основ, не редкость. Носитель такой фамилии, скорее всего, потомок крещёного татарина, башкира или казаха, который перешёл в православие и получил фамилию по месту жительства или по старому родовому прозвищу.

Словообразовательная модель необычна: фамилия не имеет патронимического (отцовского) суффикса, а представляет собой застывшую форму тюркского географического названия или прозвища. Это сближает её с такими фамилиями, как Кузембаев (где суффикс -ев уже есть) или Кузема (без второй части). Наличие «сая» в конце — главный маркер, указывающий на связь с конкретным ландшафтом, а не с родом занятий или внешностью.