Фамилия Олимшоев — редкий случай в русском ономастиконе, так как она образована не от славянского имени или прозвища, а от сложного восточного личного имени. Её основа — составное имя Олимшой (или Олим-шой), которое распространено в таджикской и узбекской среде. Первая часть, «Олим», восходит к арабскому «алим» (عالم) — «учёный», «знающий», «мудрец». В исламской традиции это один из эпитетов Всевышнего, а также обозначение религиозного учёного, знатока Корана. Вторая часть, «шой», — это местная (таджикская) форма персидского «шах» (شاه) — «царь», «господин», «владыка». Таким образом, имя Олимшой буквально означает «царь учёных» или «господин мудрецов» — титул, который давали с надеждой на высокий статус, ум или религиозную учёность носителя.

Фамилия образована по русской патронимической модели: к основе Олимшой добавили суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — Олимшоев). Это стандартный способ русификации фамилий народов Средней Азии в XIX–XX веках, когда при переписях и оформлении документов к местным именам прикрепляли русский суффикс. Формально фамилия Олимшоев означает «сын Олимшоя» или «потомок Олимшоя». Ударение, скорее всего, падает на второй слог: Олимшоев (от имени Олимшой), хотя в бытовой речи возможны варианты.

Географически фамилия привязана к Таджикистану и прилегающим районам Узбекистана (особенно Согдийская область и Ферганская долина). Носители фамилии в России — это, как правило, потомки мигрантов из этих регионов. В отличие от многих русских фамилий, Олимшоев не имеет сословной окраски: её могли получить и крестьяне, и ремесленники, и духовные лица, если отца звали Олимшой. Интересно, что в таджикской среде имя Олимшой до сих пор встречается как личное, так что фамилия сохраняет прямую связь с живым антропонимом, а не только с историческим прозвищем. Сравните с однокоренными фамилиями вроде Алишоев (от Али-шах) или Олимов (от Олим без второй части) — они образованы по тому же принципу, но Олимшоев выделяется именно двухкомпонентной основой с титульным значением.