Фамилия Мамыраймов — тюркская по происхождению, её ареал — Казахстан и Киргизия. Основа фамилии — личное имя Мамырай. В нём отчётливо выделяются два компонента: «мамыр» (в казахском и киргизском — «спокойный», «мирный», «тихий», иногда «май» или «мамыр» как название месяца) и «ай» («луна»). В тюркской антропонимии «ай» — один из самых частых компонентов имени, он придаёт значение «луноликий», «красивый, как луна», или выступает как пожелание светлой доли. Таким образом, Мамырай — это «спокойная луна» или «мирный, как луна». Имя давали ребёнку с надеждой на уравновешенный, безмятежный характер.

Суффикс -ов указывает на русскую модель оформления фамилий, которая в XIX–XX веках закрепилась у многих тюркских народов, входивших в состав Российской империи. Фамилии на -ов (а не на -ев или -ин) образуются от основ на твёрдый согласный: Мамырай → Мамырай + ов. В казахской традиции патроним мог бы звучать как Мамырайулы («сын Мамырая»), но для официальных документов выбрали русифицированный вариант.

Редкость фамилии в том, что имя Мамырай встречается нечасто даже в тюркоязычной среде. Обычно «мамыр» в именах используют в составе Мамырбай, Мамыржан, а форма с «ай» — более архаичная или диалектная. Возможно, предок носителя фамилии был из южных регионов Казахстана или из киргизских родов, где сохранялись такие именные модели.

Однокоренных фамилий в русском контексте практически нет — Мамыраймов стоит особняком. По сословной принадлежности предки скорее всего были скотоводами или земледельцами, но точных данных об этом нет. Фамилия не даёт оснований предполагать дворянское или купеческое происхождение — это поздняя, крестьянская по сути, фамилия, возникшая в период массовой фиксации имён в метриках и переписях.