Фамилия Шамсеев образована от мусульманского личного имени Шамсей или Шамси. В основе лежит арабское слово «шамс» — солнце. В тюркских и персидских языках имя Шамси означает «солнечный», «сияющий», «лучезарный». Суффикс -ев указывает на русскую модель патронимической фамилии: Шамсеев — сын Шамсея. Фамилия типична для татар, башкир, а также народов Кавказа, где имя Шамси было популярно в среде мусульманского духовенства и торговцев.

Можно выделить две версии происхождения. Первая, прямая: от имени Шамсей (вариант Шамси), которое давали ребёнку в надежде на его светлую судьбу. Вторая, менее распространённая: от прозвища, данного человеку с яркой внешностью или характером, — «солнечный» в переносном смысле. Вторая версия слабее: в тюркской ономастике прозвища от «шамс» встречаются редко, а вот имя Шамси — одно из распространённых.

Географически фамилия Шамсеев встречается в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской области и на Северном Кавказе. В дореволюционных переписях её носителями были в основном крестьяне и мелкие торговцы, но среди казанских татар встречались и муллы с этой фамилией. Сравните с однокоренными Шамсутдинов, Шамсиев — все они восходят к тому же арабскому корню, но с разными суффиксами и окончаниями.

Особенность фамилии — редкое для русского уха сочетание звуков «ш» и «м» в начале, что сразу выдаёт её восточное происхождение. При этом суффикс -ев делает её привычной для русской грамматики: фамилия склоняется как обычное прилагательное мужского рода (Шамсеева, Шамсееву). В паспортах и документах часто встречается вариант Шамсиев — с буквой «и» в конце основы, но Шамсеев считается более старым, «обрусевшим» написанием.