Фамилия Сембеков встречается редко, и её происхождение почти наверняка связано с тюркскими языками. Основа фамилии — имя Сембек, которое представляет собой сложное двухкоренное образование. Первая часть «Сем» (или «Сен») — это, скорее всего, вариант тюркского слова «сен» (ты), но в данном контексте оно могло выступать как усилительная частица или сокращение от «сеним» (мой, любимый). Вторая часть «бек» — распространённый титул, означающий «господин», «князь», «владыка». Таким образом, Сембек можно перевести как «истинный господин» или «мой господин».

Фамилия образована по русской патронимической модели с помощью суффикса -ов, который присоединялся к тюркским именам при переходе в русскую среду. Это указывает на то, что предок носителя фамилии был крещён или учтён в документах как Сембек, а его потомки стали Сембековыми. Географически фамилия тяготеет к регионам Поволжья (Татарстан, Башкортостан) и Казахстану, где распространены имена с компонентом «бек». Встречаются также варианты написания Сембеков и Сембеков, что может быть связано с диалектным произношением.

В ономастических справочниках фамилия не описана, что говорит о её локальном бытовании. Интересно, что в отличие от более частых фамилий на -беков (Абдулбеков, Узбеков), где первая часть — имя собственное, здесь основа может восходить к прозвищу или личному имени, которое не фиксировалось в крупных родословных книгах. Вероятнее всего, первый Сембек был уважаемым человеком в своём ауле или деревне, чей авторитет закрепился в фамилии.