Фамилия Шлембаева — редкий пример, где тюркская основа соединилась с русским суффиксом принадлежности, но не самым частым. В отличие от массовых -ов/-ев или -ин, здесь мы видим суффикс -ев, присоединённый к основе, которая оканчивается на гласную. Такая модель характерна для фамилий, образованных от имён или прозвищ на -а/-я, когда «чей?» превращалось в «Шлембаев». Женская форма Шлембаева — естественное окончание для дочери или жены Шлембая.

Корень фамилии — тюркское составное имя Шлембай. Первая часть, «шлем», скорее всего, не имеет отношения к защитному головному убору. В тюркских языках, особенно казахском и башкирском, «шлем» или «шілем» — это «слюна, слюни», а в переносном смысле может означать «слабый, вялый» или, наоборот, «сопливый, молодой». Вторая часть, «бай», широко известна: «богач, хозяин, господин». Таким образом, Шлембай — это имя-пожелание или описательное прозвище. Одна из версий: «богатый (как) слюна» — то есть имеющий постоянный, текучий достаток, как вода. Другая, более бытовая: так могли назвать ребёнка, родившегося слабым, «слюнявым», с надеждой, что он вырастет крепким хозяином.

Встречается фамилия преимущественно у казахов и башкир, что подтверждает её тюркское происхождение. Запись Шлембаева, а не Шлембайева, указывает на то, что фамилию фиксировали уже в русском делопроизводстве, где конечный «й» в основе часто отбрасывали. В самой тюркской среде более логичной была бы форма Шлембайулы (сын Шлембая) или Шлембайкызы (дочь Шлембая), но при переходе в русскую систему фамилий победила модель с суффиксом.

Интересно, что фамилия сохранила архаичный корень «шлем», который в современном тюркском языке почти вытеснен другими словами. Это делает Шлембаеву своеобразным лингвистическим «ископаемым»: по ней можно изучать, какие прозвища бытовали в степи несколько веков назад. Никакой связи с древнерусским «шлем» (каска) здесь нет — это случайное звуковое совпадение, которое вводит в заблуждение при поверхностном взгляде.

В целом, носительница фамилии Шлембаева может считать себя наследницей тюркского имени с двойным дном: за внешне простым «баем» скрывается редкая и неочевидная первая часть, которая отсылает к живой, образной народной речи.