Фамилия Шамшаев образована по одной из самых распространённых в русской ономастике моделей: от личного имени или прозвища с помощью патронимического суффикса -ев (фонетический вариант суффикса -ов после мягких и шипящих согласных). В основе лежит имя Шамшай.

Самая вероятная версия — тюркское происхождение. Имя Шамшай (или Шамша) восходит к арабскому слову «шамс» (солнце) через тюркское посредничество. В тюркских языках, особенно у татар, башкир, казахов, имяобразование с корнем «шамс» — не редкость. Уменьшительно-ласкательная форма Шамшай могла быть дана ребенку как пожелание быть светлым, ярким, заметным, как солнце. В этом случае фамилия Шамшаев — русифицированная форма тюркской фамилии или отчества, закрепившаяся у крещеных татар, башкир или других народов Поволжья.

Вторая гипотеза, менее распространенная, связывает основу с арабским «шам» (Сирия, Дамаск) или «шами» (сирийский, дамасский). Тогда Шамшай могло быть прозвищем человека, который торговал товарами из тех краев или имел с ними какую-то связь. Однако эта версия слабее, так как форма «Шамшай» для обозначения выходца из Сирии нехарактерна: скорее ожидалось бы Шами или Шамов.

Фамилия Шамшаев фиксируется в основном в регионах традиционного расселения татар и башкир — в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской, Челябинской областях. Встречается и у русских, но, скорее всего, это потомки крещеных татар, сохранивших родовое имя.

С точки зрения словообразования, фамилия Шамшаев стоит в одном ряду с такими фамилиями, как Шамшатов, Шамсутдинов (от Шамс уд-Дин — «солнце веры»), Шамсиев. Разница в суффиксе: -ай в имени Шамшай — характерный тюркский ласкательный аффикс, придающий имени фамильярно-домашний оттенок. Поэтому Шамшаев буквально означает «сын Шамшая» или «потомок Шамшая», где исходное имя-прозвище было не официальным, а обиходным, внутрисемейным.

Социальный статус первых носителей фамилии определить сложно. Среди татарских фамилий на -ев много как купеческих, так и крестьянских. Шамшаевы, судя по архивным записям XIX века, встречались среди государственных крестьян и мещан, но не в дворянских родословных книгах. Это указывает на непривилегированное, но свободное сословие.