Фамилия Нусупаев — редкая для русского уха, но прозрачная для тюркских языков. Её основа восходит к мужскому имени Нусупай, которое в свою очередь является вариантом имени Нусуп, Нусупа. Это диалектная или упрощённая форма арабского имени Юсуф (Иосиф), распространённая у казахов, киргизов и других тюркских народов. В тюркской среде арабские имена часто адаптировались под местное произношение: начальный звук «й» мог отпадать или заменяться на «н», а конечный «ф» переходил в «п». Так Юсуф превратился в Нусупа, а с добавлением ласкательного аффикса -ай — в Нусупай.

Суффикс -ев указывает на модель образования фамилий, характерную для многих народов бывшей Российской империи, особенно для тюркоязычных групп, которые принимали русские патронимические окончания. Фамилия Нусупаев буквально означает «потомок Нусупая» или «принадлежащий к роду Нусупая». Такие фамилии фиксировались в метрических книгах и переписях в XIX — начале XX века, когда оседлое население Казахстана, Киргизии, Башкирии и других регионов получало официальные фамилии по отцу.

Географически фамилия Нусупаев наиболее плотно представлена в Казахстане, особенно в южных и западных областях, а также среди киргизов. В России она встречается в Оренбургской, Астраханской областях и в Татарстане — там, где исторически кочевали или селились казахские и ногайские роды. Интересно, что в некоторых говорах имя могло звучать как Нусупбай или Нусупбек, а фамилия от него образовалась бы уже с суффиксом -баев или -беков, но форма Нусупаев сохранила именно уменьшительный вариант имени, что редкость для официальной записи.

Сословное происхождение носителей фамилии, скорее всего, связано с рядовыми кочевниками-скотоводами или крестьянами. В дворянских родословных книгах эта фамилия не зафиксирована, а её носители в документах XIX века чаще всего значатся как «киргизы» (так тогда называли казахов) или «татары». Никаких легенд о знатном предке или чужеродном происхождении у Нусупаевых нет — это типичная патронимическая фамилия, образованная от имени, которое носил основатель рода.