Фамилия Серсембаева — женская форма фамилии Серсембаев, распространённой в казахской среде. Её основа — мужское личное имя Серсембай, которое образовано от арабского «серсембе» (среда, третий день недели) и тюркского «бай» (богач, господин, хозяин). Таким образом, имя буквально означает «богач среды» или «господин, рождённый в среду». У казахов и других тюркских народов было принято давать имена по дню недели, в который родился ребёнок, — это практичный и распространённый способ имянаречения. Серсембай — одно из таких имён, указывающее на среду как день рождения.

Фамилия образована по типичной для казахской ономастики модели: к имени Серсембай прибавляется патронимический суффикс -ев/-ова, который в XIX–XX веках стал стандартным окончанием при русификации фамилий в Казахстане. В исконно казахской традиции фамилий не было — использовались отчества (например, Серсембайулы — «сын Серсембая»), но после вхождения в состав Российской империи и советского делопроизводства фамилии закрепились в форме с русскими суффиксами. Серсембаева — результат этого процесса: женский вариант, который носят дочери или жёны Серсембаевых.

Примечательно, что фамилия сохранила редкую для русского уха основу: «Серсем» — транскрипция казахского произношения арабизма «сәрсенбі». В отличие от фамилий, образованных от христианских имён (Иванов, Петров), эта фамилия прямо отсылает к исламской и кочевой культуре, где день недели имел не столько календарное, сколько бытовое значение. Географически фамилия встречается преимущественно в Казахстане, особенно в южных и западных регионах (Кызылординская, Мангистауская области), а также среди казахской диаспоры в России и Узбекистане.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Серсембаев — не единственная в ряду «дневичных» фамилий. Сюда же относятся Дюсенбаев (от «дүйсенбі» — понедельник), Сейсенбаев (от «сейсенбі» — вторник), Бейсенбаев (от «бейсенбі» — четверг), Жумабаев (от «жұма» — пятница). Все они образованы по одному шаблону, что говорит о системности имянаречения в казахской среде. Серсембаева среди них — одна из самых узнаваемых по звучанию, так как «серсем» редко встречается в других контекстах.