Фамилия Сембаев — яркий пример того, как географическая привязка и тюркское языковое наследие формируют русскую фамилию. В отличие от большинства русских фамилий на -ов/-ев, образованных от крестильных имён (Иванов, Петров), Сембаев почти наверняка восходит к казахскому или башкирскому корню.

Основа фамилии — мужское имя Сембай. В тюркских языках оно составное: первая часть «сем» (или «сен») может означать «ты», «твой», но чаще в именах выступает как компонент со значением «здоровый», «крепкий» (ср. казахское «семіз» — «толстый», «упитанный»). Вторая часть «бай» — традиционный тюркский титул «богатый», «господин», «хозяин». Таким образом, имя Сембай могло означать «крепкий богач» или «здоровый хозяин». Изначально это было прозвище, которое давали ребёнку с пожеланием силы и достатка.

Русский суффикс -ев присоединился к основе Сембай по стандартной модели: от имени Сембай образовалось притяжательное прилагательное «Сембаев сын» (то есть сын Сембая). Со временем это закрепилось как фамилия. Интересно, что фамилия могла возникнуть и в среде татар, башкир или казахов, которые входили в состав Российской империи и получали фамилии по отцу при переписях или переходе в православие.

Географически фамилия Сембаев наиболее распространена в Казахстане (особенно в Западно-Казахстанской и Атырауской областях), а также среди башкир и татар в Оренбургской и Челябинской областях России. Встречаемость в русских регионах за пределами Урала и Поволжья — единичная, что подтверждает её тюркское происхождение.

С точки зрения словообразовательной модели, Сембаев стоит в одном ряду с такими фамилиями, как Толмачёв (от тюркского имени Толмач), Карабаев (от Карабай — «чёрный богач») или Исмаилов. Но если в фамилиях на -ов/-ев от славянских имён суффикс указывает на принадлежность отцу, то в тюркских заимствованиях он выполняет ту же функцию, но основа остаётся непереведённой — это маркер этнического происхождения носителя.

О сословной принадлежности Сембаевых судить сложно: в метрических книгах XIX века эта фамилия могла встречаться как у крестьян, так и у казахов-кочевников, записанных в «инородцы». Известных широкой публике носителей фамилии нет, что типично для фамилий, не попавших в столичные родословные книги.