Фамилия Шулембаева — редкий пример русской фамилии, образованной от тюркского имени. Её основа — мужское имя Шулембай, которое состоит из двух частей: «шулем» и «бай». «Бай» в тюркских языках означает «господин», «богач», «хозяин», часто входило в состав имён как пожелание достатка и уважения. Первая часть — «шулем» — более загадочна. Вероятнее всего, это искажённое «Шулем» или «Шулим», восходящее к арабскому имени Сулейман (библейский Соломон). В тюркской среде арабские имена часто адаптировали: Сулейман превращался в Сулеймен, Сюлеймен, а в просторечии — в Шулем. Таким образом, Шулембай — это «господин, подобный Сулейману» или «богатый Сулейман».

Суффикс «-ева» указывает на принадлежность: Шулембаева — «дочь или жена Шулембая». По русской словообразовательной модели XIX века фамилии на «-ов/-ев» получали все члены семьи, даже если глава семьи уже умер. Поэтому носительница фамилии Шулембаева — потомок человека по имени Шулембай.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где смешивались тюркские и русские традиции: Оренбуржье, Башкортостан, Татарстан, Казахстан. Встречается она и у башкир, и у казахов, и у татар, что объясняется общностью антропонимической модели. Интересно, что в русских метрических книгах XIX века эта фамилия могла записываться по-разному: Шулембаев, Шулюмбаев, Сулембаев — из-за неустойчивости передачи тюркских звуков кириллицей.

Социальный статус предков-Шулембаевых, скорее всего, был крестьянским или мещанским. В тюркской среде имя Шулембай не относилось к знати, а было обычным пожелательным именем в среде башкирских и татарских крестьян. После принятия христианства или при переходе в казачье сословие такие имена становились фамилиями. Фамилия сохранила редкую для русского уха основу, но её морфология — простая и типичная для фамилий второй половины XIX века.