Фамилия Сементяев — редкий случай, когда в основе лежит не имя, а его диалектная форма. Речь о каноническом имени Симеон, которое в русском быту дало целый ряд производных: Семён, Семеня, Семенюта, Сементей. Последний вариант — Сементей — и стал непосредственным источником фамилии. Суффикс -ей в этом случае не уменьшительный, а скорее разговорно-просторечный, характерный для северных и сибирских говоров, где имя Семён могли переделывать в Сементей, подобно тому как Михаил превращался в Михантей, а Даниил — в Данилтей.

Модель образования проста: к основе «Семент-» (от Сементей) добавили типичный русский патронимический суффикс -ев, указывающий на принадлежность («чей?» — Сементеев). Со временем «Сементеев» могло упроститься в написании до «Сементяев» под влиянием произношения: безударное «е» часто переходило в «я» в просторечии. Таким образом, Сементяев — буквально «сын Сементея», внук Семёна.

Фамилия редкая и географически привязана к центральным и южным областям России, особенно к Тамбовской и Воронежской губерниям. Встречается также в Поволжье, но почти не фиксируется за Уралом. Это говорит о том, что носители фамилии — потомки крестьян из чернозёмной полосы, где имя Семён было одним из самых распространённых, а его необычные производные сохранялись в местных говорах дольше, чем в городах.

Интересно, что фамилия не имеет варианта с суффиксом -ов (Сементяков), хотя по правилам после твёрдого согласного «т» ожидался бы именно он. Вероятно, первоначальная форма «Сементей» дала «Сементеев», а уже в XX веке при паспортизации часть носителей закрепила более редкое написание через «я». Поэтому в архивах можно встретить обе версии — Сементеев и Сементяев, причём вторая встречается чаще именно на юге России.