Фамилия Рамбаев — редкая и неочевидная по происхождению. В русском языке она звучит как типичная фамилия на -ев, то есть образованная от основы, оканчивающейся на согласный или йот. Однако корень «Рамбай» не имеет славянских параллелей. Это почти наверняка указывает на тюркские или, шире, восточные корни.

Скорее всего, в основе фамилии лежит личное имя Рамбай. В тюркских языках компонент «бай» означает «богач», «господин», «хозяин» и часто входит в состав сложных имён (например, Акбай, Карабай, Темирбай). Первая часть «рам» может восходить к арабскому «рахим» (милостивый) или к древнетюркскому слову со значением «спокойный», «тихий». Таким образом, имя Рамбай могло означать «богатый милостью» или «спокойный господин». Встречается также версия, что «рам» — это искажённое «рамазан» (месяц Рамадан), и имя давали мальчику, родившемуся в этот месяц.

Фамилия Рамбаев характерна для народов Поволжья и Приуралья — татар, башкир, казахов. В русской среде она закрепилась через метрики и переписи как русифицированная форма отчества: «чей сын? — Рамбаев». Суффикс -ев вместо ожидаемого -ов в тюркских фамилиях здесь объясняется тем, что основа «Рамбай» заканчивается на «й», который в русском языке притяжательные прилагательные превращают в -ев (ср. Андрей — Андреев, а не Андреов).

Поскольку фамилия очень редкая, её носители, скорее всего, происходят из одного или нескольких близких родов. В дореволюционной России Рамбаевы могли быть крестьянами или мещанами, но не исключено, что родоначальник был человеком уважаемым — имя «бай» давали не каждому. Сегодня географию фамилии можно проследить по республикам Башкортостан и Татарстан, а также по Оренбургской области.