Фамилия Мизембаева — редкий случай, когда географический маркер оказывается почти надёжнее лингвистического. Основа фамилии явно тюркская, и её ареал указывает на Казахстан или сопредельные регионы южного Урала и Западной Сибири. Фамилия образована по типичной для южнорусских и азиатских окраин модели: тюркское мужское имя или прозвище плюс русский патронимический суффикс -ев (вариант -ов после мягких и шипящих). Женская форма Мизембаева — это не самостоятельная фамилия, а указание на принадлежность к роду Мизембаевых: так в русской традиции записывали дочерей и жён.

Корень «Мизембай» — это сложносоставное имя. Первая часть, «Мизем», скорее всего, восходит к диалектному тюркскому слову со значением «метка», «знак» или «цель» (сравните с казахским «міз» — примета, ориентир). Вторая часть, «бай», в тюркских языках означает «богатый», «господин», «хозяин». Таким образом, имя Мизембай могло означать «богатый приметами» или «хозяин метки» — возможно, так называли человека, у которого была заметная родинка, шрам, либо того, кто славился умением находить дорогу, ставить метки в степи. В кочевой культуре умение ориентироваться и оставлять знаки ценилось высоко.

Встречаются и другие версии. Иногда первую часть связывают с арабским «мизам» (весы, мера), но для казахской ономастики это менее характерно: арабизмы чаще попадали через исламские имена (например, Мизан), а не через бытовые прозвища. Версия с «меткой» выглядит правдоподобнее, потому что фамилия не религиозная, а прозвищная, бытовая.

Носители фамилии Мизембаева — это, скорее всего, потомки казахов, которые в XIX — начале XX века перешли на оседлость или были записаны в метрические книги русской администрацией. Суффикс -ев вместо исконно казахского -ұлы/-қызы (сын/дочь) — прямое свидетельство того, что фамилия оформлялась уже по русскому образцу. Встречается она прежде всего в северных и центральных областях Казахстана, а также среди казахской диаспоры в России.

С точки зрения словообразования, фамилия стоит в ряду таких же «байских» фамилий, как Карабаев, Тлеубаев, Сарыбаев. Но если те построены от цветовых или числовых основ, то Мизембаева уникальна своей редкой первой частью — «Мизем». Это делает её ценной для ономастики: она сохранила бытовое тюркское слово, которое в современном языке уже может не употребляться.