Фамилия Сатамбаев — яркий пример антропонимики, сформированной в тюрко-монгольской среде Центральной Азии. Её основа — личное имя Сатамбай, которое состоит из двух компонентов: «Сатам» и «бай». Вторая часть — «бай» — означает «богач», «хозяин», «господин» и была чрезвычайно популярна в именах у казахов, киргизов, узбеков, татар и башкир. Она указывала на пожелание достатка и высокого статуса для ребёнка.

Первая часть, «Сатам», — более сложная для однозначной трактовки. Скорее всего, это арабское имя Саттар (или Сатти), которое означает «прощающий», «покрывающий грехи» (один из эпитетов Аллаха — аль-Гаффар). В тюркских языках произошла фонетическая адаптация: звук «т» мог перейти в «т» с последующим оглушением или заменой на «д» в разных диалектах, а конечное «-ам» — это вариант аффикса принадлежности (как в казахском «Сәттам»). Таким образом, Сатамбай — это «богатый прощением» или «милостивый господин», то есть имя с религиозным оттенком.

Русский суффикс -ев в фамилии указывает на то, что носитель — потомок человека по имени Сатамбай. Такая модель образования фамилий типична для народов, вошедших в состав Российской империи: к тюркскому имени добавляли русский патронимический суффикс. Встречаются варианты написания — Сатамбаев, Садамбаев, Саттамбаев, что связано с особенностями передачи арабских и тюркских звуков кириллицей в разных регионах (Казахстан, Кыргызстан, Башкортостан).

Географически фамилия наиболее распространена среди казахов, особенно в южных и западных областях Казахстана, а также среди киргизов. Встречается она и у каракалпаков. Социальный статус предков — скорее всего, скотоводы или земледельцы, но имя Сатамбай мог носить и уважаемый аксакал, мулла или батыр, так как имя несёт почётный компонент «бай».

Если говорить о сословной принадлежности в дореволюционный период, то фамилия не указывает на дворянство или казачество — это типичная «народная» фамилия, возникшая в среде простых кочевников и оседлых крестьян. В документах она закрепилась, вероятно, в конце XIX — начале XX века, при массовой фиксации фамилий у казахов и киргизов.