Фамилия Нурсапаева — одна из тех, что несут в себе следы сложных этнических и языковых контактов на границе степей и гор. Её основа — составное имя тюркского или арабо-тюркского происхождения, где первая часть восходит к арабскому «нур» (свет, сияние), а вторая — к тюркскому «сапа» (чистота, прозрачность, ясность). Вместе имя Нурсапа можно перевести как «чистый свет» или «сияющая чистота». Такие имена, начинающиеся с «нур», были популярны у народов, принявших ислам, — казахов, татар, башкир, узбеков, — и часто давались мальчикам с пожеланием праведной и светлой жизни.

Фамилия образована по патронимической модели, типичной для русского языка, но адаптированной к тюркским основам: к мужскому имени Нурсапа добавили суффикс -ев (орфографический вариант -аев после мягкого согласного), а затем — окончание -а, указывающее на женский род. Таким образом, Нурсапаева — это «дочь (или жена) Нурсапы». Мужской вариант фамилии — Нурсапаев. Такая модель распространена среди народов, долгое время живших в составе Российской империи и СССР: русская фамилия «пришивалась» к тюркскому имени, фиксируя родовую принадлежность.

Географически фамилия Нурсапаева чаще всего встречается в Казахстане и среди казахов, живущих в России (особенно в Оренбургской, Астраханской областях и в Алтайском крае). Встречается она и в Кыргызстане, но реже. Корень «сапа» в тюркских языках имеет и другое значение — «утренняя заря», что добавляет имени поэтический оттенок: Нурсапа может осмысляться как «свет зари».

Сословно предки носителей фамилии, скорее всего, были простыми скотоводами или земледельцами — казахами из числа «чёрных костей» (нечингизидов). Фамилия не указывает на аристократическое происхождение, но говорит о глубокой связи с кочевой культурой, где имя ребёнку давали не случайно, а как оберег и пожелание. Встречаются и более редкие варианты написания — Нурсапаева (с ударением на второй или третий слог) и Нурсапаева (с двойным «а» в середине, если исходное имя записывали как Нурсапай).