Фамилия Штембульская — редкая, но прозрачная по своей словообразовательной модели. Это типичная «географическая» фамилия, образованная от названия населённого пункта с помощью суффикса -ск- и окончания -ая. В русской традиции такие фамилии указывали на происхождение человека из определённой местности или на владение ею. В данном случае основа — топоним Штембуль (или Штембули), который, скорее всего, имеет балтийские или славянские корни.

Корень «штем-» встречается в польских, украинских и белорусских говорах. Наиболее вероятная версия — связь с польским словом «stębul» или «stąbul», что означает «стебель», «ствол», а в переносном смысле — «высокий, худой человек». Однако фамилия не прозвищная, а топонимическая: она не описывает внешность предка, а называет место, откуда он родом. Само название поселения могло произойти от прозвища первопоселенца (Штембуль — «стебель»), либо от диалектного термина, связанного с ландшафтом (например, «штембель» — вид насыпи или межевого знака).

Суффикс -ск- указывает на дворянское или шляхетское происхождение фамилии. В Речи Посполитой (на территории современных Польши, Литвы, Беларуси и Западной Украины) фамилии на -ский/-цкий носили в основном представители шляхты, владевшие землёй. Поэтому Штембульская — скорее всего, фамилия обедневшего или мелкого шляхтича, чей род получил её по названию родового имения Штембуль. В XIX веке, после разделов Польши, такие фамилии могли распространиться среди крестьян и мещан, но изначальная модель остаётся аристократической.

Географически фамилия тяготеет к западнорусским и польским землям. Наибольшая вероятность встретить носителей фамилии — в Волынской, Гродненской или Брестской областях, а также в современной Польше (Подляское воеводство). В России фамилия исключительно редка и, скорее всего, появилась в результате миграции в советское время.

Мужской вариант фамилии — Штембульский. В русском языке она склоняется как типичное прилагательное: Штембульская, Штембульской, Штембульскую. Никаких «известных носителей» в открытых источниках не зафиксировано — это говорит о том, что фамилия осталась в узком локальном кругу и не попала в общероссийские справочники.