Фамилия Сексимбаев — редкий случай, когда основа не поддаётся однозначному толкованию средствами русского или тюркского языков без привлечения диалектной лексики. В ней отчётливо выделяется тюркский суффикс принадлежности -бай, образовывавший фамилии со значением «богатый», «господин», «владелец» (ср. Карабай, Акбай, Кулбай). Первая часть — Сексим — вызывает вопросы.

Самая вероятная версия отсылает к тюркскому глаголу «сек» (прыгать, скакать, бить) с аффиксом -сим, дающим значение склонности к действию. Тогда «Сексим» — человек порывистый, вспыльчивый, или, в переносном смысле, «тот, кто бьёт копытом», то есть резвый конь. В казахском языке есть слово «секірме» (прыжок), а «сексім» могло быть старым диалектным прозвищем для неспокойного, подвижного человека. Фамилия могла закрепиться за предком, получившим такое прозвище за характер или манеру поведения.

Вторая версия, менее распространённая, выводит Сексим из арабского «сиккин» (нож, кинжал) через искажённое тюркское произношение. В этом случае Сексимбаев — «владелец ножа», то есть оружейник или воин, носивший кинжал как знак статуса. Однако переход «сиккин» → «сексим» фонетически неочевиден, и эта гипотеза остаётся спорной.

Фамилия почти наверняка имеет казахское происхождение. Суффикс -бай характерен для казахской и отчасти башкирской антропонимии, где такие фамилии часто встречаются среди представителей родов Среднего жуза. Встречаемость Сексимбаева в современной России крайне низкая — носители сосредоточены главным образом в Западном Казахстане и приграничных районах Оренбургской области.

Особенность фамилии в том, что она не попала в массовые советские справочники, поэтому её написание могло колебаться: в дореволюционных метрических книгах можно найти варианты Сексинбаев или Сексембаев, где «н» вместо «м» — результат записи на слух. Современная форма закрепилась, видимо, в 1930-е годы при паспортизации.