Фамилия Сексембаев — редкий случай, когда основа не поддаётся однозначной славянской этимологии. В ней нет корней, восходящих к ремёслам, внешности или характеру, как у большинства русских фамилий. Носитель такой фамилии почти наверняка имеет предков из тюркоязычной среды, скорее всего, из народов Средней Азии или Поволжья.

Словообразовательная модель здесь — классический русский суффикс -ев, присоединённый к тюркскому имени или прозвищу. Суффикс указывает на принадлежность: «сын такого-то» или «из рода такого-то». Основа «Сексембай» (или «Сексемба») — типичное составное имя для казахской, башкирской или татарской традиции. Первая часть «Сексем» может быть производной от арабского «сиксем» (восемь) или от тюркского глагола со значением «ждать», «терпеть». Вторая часть «бай» — широко распространённый компонент, означающий «богатый», «господин», «хозяин». В дореволюционной среде такие имена давали с пожеланием достатка и уважения.

С географической точки зрения фамилия встречается в основном в Казахстане, а также среди башкир и татар, особенно в Оренбургской, Челябинской областях и в Западном Казахстане. В русских переписных книгах XVII–XVIII веков её практически нет — она вошла в российский официальный обиход позже, вместе с включением кочевых народов в сословную систему. Поэтому сословная принадлежность предков Сексембаевых — почти наверняка не дворянство и не крепостное крестьянство, а «инородцы» (по тогдашней терминологии): скотоводы, земледельцы или служилые люди из башкирских и казахских родов.

Интересная деталь: фамилия могла закрепиться в письменном виде с разными гласными — Сексембаев, Сихсембаев, Саксембаев. Это связано с тем, что при записи тюркских имён русские писаря передавали звуки на слух, не имея единого стандарта. Поэтому в архивах одного уезда можно встретить однофамильцев с разным написанием, хотя род они вели от одного человека по имени Сексембай.