Фамилия Лемкаев звучит редко, но её строение прозрачно: суффикс -ев указывает на происхождение от прозвища или имени, оканчивающегося на -ай или -ей. Основа здесь — Лемкай. Такая модель типична для русских фамилий, образованных от тюркских или финно-угорских имён: суффикс -кай/-гей часто встречается в татарских, башкирских, чувашских и марийских личных именах (например, Биккай, Аккай, Чулкай). Скорее всего, в основе лежит имя Лемкай — уменьшительная или ласкательная форма от более полного тюркского имени.

Корень лем- может восходить к тюркскому слову «лем» (смысл, значение, иногда — мягкость, кротость) либо к диалектному варианту имени Ильяс или Ильмурза, где первая часть редуцировалась. В чувашском языке есть слово «лĕм» — толк, прок, польза. Если так, то Лемкай — человек, от которого есть прок, дельный, путный. В марийской ономастике встречается имя Лемка, связанное с понятием «сладкий, приятный». Версия с финно-угорским корнем не менее правдоподобна, чем тюркская.

Географически фамилия Лемкаев тяготеет к Поволжью и Предуралью — регионам, где веками соседствовали русские, татары, чуваши, марийцы и мордва. В метрических книгах XIX века Лемкаевы встречаются в Казанской, Уфимской и Вятской губерниях. Чаще всего это государственные крестьяне или новокрещёные из народов Поволжья. Суффикс -ев, а не -ин, указывает на то, что основа Лемкай мужского рода и склонялась по типу «Лемкай — Лемкая», что характерно для имён на согласный.

Редкость фамилии объясняется тем, что исходное имя Лемкай не вошло в массовый русский именослов, а осталось локальным. В советское время написание закрепилось через паспортизацию, и варианты вроде Лемкаев или Лемкеев могли смешаться. Сейчас Лемкаевы живут в Татарстане, Башкортостане, а также в Оренбургской и Самарской областях. Фамилия не имеет отношения к профессиям или прозвищам по внешности — это чисто патронимическая фамилия по личному имени, которое почти исчезло из употребления.