Фамилия Мамыраева имеет тюркские корни и образована по русской модели с помощью суффикса -ев, который присоединяется к основе, оканчивающейся на согласный. В основе лежит мужское имя или прозвище Мамырай. Разбираем это имя: в нём выделяется корень «мамыр» и тюркский уменьшительно-ласкательный аффикс -ай. Слово «мамыр» в большинстве тюркских языков (казахском, киргизском, татарском) означает «спокойный», «мирный», «тихий», «благополучный». Таким образом, Мамырай — это ласковое именование спокойного, уравновешенного человека, а Мамыраева — буквально «дочь (или жена) Мамырая».

Фамилия характерна для регионов России, где традиционно проживают тюркские народы, в первую очередь — для Поволжья (Татарстан, Башкортостан), Урала и Оренбуржья. Часто она встречается у татар и башкир, но может быть и у казахов, чьи фамилии русифицировали в XIX — начале XX века. Важно, что окончание -аева указывает на женский вариант фамилии; мужская форма — Мамыраев.

В ономастике это редкий случай, когда основа не усекается при добавлении суффикса: от «Мамырай» ожидалась бы фамилия «Мамыраев», и она действительно существует. Женская форма «Мамыраева» может вводить в заблуждение: некоторые ошибочно видят в ней суффикс -аев, но на самом деле это стандартное русское окончание женского рода. Если предок был известен не как Мамырай, а как Мамыр (без аффикса), то фамилия могла бы звучать как «Мамыров» — и такие фамилии тоже есть, но Мамыраева стоит особняком как более «ласковая» по происхождению.

Сословное происхождение носителей фамилии, скорее всего, крестьянское или мещанское. Тюркские имена-прозвища часто давали людям незнатного происхождения, и лишь в редких случаях фамилия могла перейти от служилых татар. Точных исторических сведений о первых носителях нет, но по структуре ясно: фамилия не искусственная, а бытовая, возникшая естественным путём в сельской среде.