Фамилия Шемаев образована от прозвища или нецерковного имени Шемай. Основа здесь — тюркское слово «шема» или «шеме», которое в ряде тюркских языков означает «свеча», «светильник» или «факел». В переносном смысле так могли назвать человека со светлыми волосами, бледной кожей или того, кто работал при огне — например, кузнеца, свечника или сторожа, зажигавшего ночники. Встречается и другая версия: Шемай — это диалектная форма крестильного имени Семён (от древнееврейского Шимон — «услышанный Богом»). В русских говорах имя Семён нередко сокращали до Сема, а с тюркским влиянием — до Шема.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Шемаев буквально значит «сын Шемая» или «из рода Шемаевых». Модель типична для русских фамилий, возникших в среде служилых людей и крестьян XVI–XVII веков, когда прозвище отца закреплялось за детьми как родовое имя. Интересно, что фамилия Шемаев встречается в двух основных ареалах: на Средней Волге (Татарстан, Самарская область) и в центральных русских областях (Рязанская, Тамбовская губернии). Первый ареал указывает на возможные тюркские корни основы, второй — на вариант от Семёна.

В «Ономастиконе» С. Б. Веселовского упоминается Шемая — прозвище, зафиксированное в XV–XVI веках среди служилых людей. Это подтверждает, что фамилия могла возникнуть независимо в разных регионах: и как прямой перевод тюркского прозвища, и как русская адаптация крестильного имени. Сейчас Шемаевы — нередкая фамилия, особенно в Поволжье, но её носители есть и за Уралом, куда переселялись крестьяне в XVIII–XIX веках.