Фамилия Сарсембиева имеет тюркское происхождение и распространена в основном среди народов Центральной Азии, особенно у казахов. Чтобы понять её значение, нужно разобрать имя, от которого она образована, — Сарсембай. Это сложное имя, составленное из двух частей: «сарсе» (искажённое «сарсен» или «сарсем») и «бай».

Первая часть восходит к арабскому слову «сарсен» — так называют третий день недели, вторник. В тюркской ономастике существовала традиция давать имена по дню рождения ребёнка. Сарсембай — буквально «богатый (бай), рождённый во вторник». Вторая часть, «бай», означала «хозяин», «богач», «господин» и часто использовалась в именах как пожелание достатка и уважения.

Фамилия Сарсембиева образована по русской патронимической модели: к основе Сарсембий (вариант имени Сарсембай с конечным «й») добавлен суффикс -ев, а затем — женское окончание -а. Типичный для XIX–XX веков способ русификации тюркских фамилий: когда мужская форма оканчивается на -ев, женская получает -ева. Таким образом, Сарсембиева — это «дочь (или жена) Сарсембия».

Примечательно, что фамилия сохранила редкий для русской традиции суффикс -би- в основе. Встречаются и однокоренные варианты: Сарсембаев, Сарсенбаев, Сарсембеков. Все они восходят к одному корню, но различаются суффиксами (у Сарсембаева — более прямая форма от имени Сарсембай, у Сарсембиевой — через вариант с «й»).

Социально предки носительницы фамилии были, скорее всего, кочевниками-скотоводами или земледельцами в казахских степях. Имя Сарсембай не указывает на аристократическое происхождение — это распространённое имя-пожелание, которое давали простым детям. Фамилия закрепилась в документах при переписях и советском паспортном учёте, когда тюркские имена адаптировали к русской грамматике.