Фамилия Нурсулан — редкий случай в русском ономастиконе. Она не образована по типичным славянским моделям (-ов, -ин, -ский), а представляет собой полное, неизменённое личное имя, ставшее фамилией. Основа — тюркское или арабо-тюркское имя Нурсултан (варианты: Нурсулан, Нурсолтан), которое состоит из двух корней: «нур» (свет, луч) из арабского и «султан» (властитель, правитель) из арабского через тюркское посредство. В сумме имя означает «светлый правитель» или «луч властителя».

Такая модель фамилии — застывшее имя без суффикса — характерна для народов Северного Кавказа, Закавказья, а также для татар, башкир и казахов. В русском контексте фамилия Нурсулан почти наверняка принадлежит к числу поздних: её могли получить при паспортизации в советское время, когда представителям нерусских национальностей записывали в документы их личные имена без изменений. Если бы фамилия русифицировалась, она звучала бы как Нурсуланов (по модели Иван — Иванов) или Нурсуланович, но исходный вариант указывает на прямое заимствование.

Географически фамилия встречается в основном в регионах с тюркским населением: в Татарстане, Башкортостане, Казахстане, а также среди кавказских народов, исповедующих ислам. В центральной России она крайне редка и воспринимается как экзотическая. Сословно предки носителя фамилии могли быть кем угодно — от крестьянина до потомка местной знати, но само имя Нурсултан исторически было престижным, его давали в честь уважаемых людей или правителей.

Есть и менее вероятная версия: что фамилия происходит от другого корня — например, от тюркского «сур» (серый) или «сар» (жёлтый) в сочетании с «нур», но она лишена смысла и не подтверждается ономастическими источниками. Правдоподобнее всего считать Нурсулан вариантом имени Нурсултан, записанным с упрощением «т» из-за особенностей произношения или канцелярской ошибки.