Фамилия Сисимбаев — редкая и географически привязанная, скорее всего, к Казахстану и прилегающим регионам России. Её основа — тюркское имя Сисимбай, которое состоит из двух частей. Первая часть, «сисим», может быть вариантом имени «Сисем» или «Сисен», восходящего к числительному «сорок» (qırıq) в некоторых тюркских диалектах, но более вероятно, что это диалектная форма от «сезім» — «чувство, ощущение». Вторая часть, «бай», — распространённый тюркский титул, означающий «господин», «богач», «хозяин». Таким образом, имя Сисимбай могло означать «чувствительный (или осознанный) господин» либо, при иной трактовке, «сороковой богатырь» (по аналогии с именами-оберегами, где числительное давалось для защиты от сглаза).

Суффикс -ев указывает на русскую модель образования фамилии от тюркского имени. В среде казахов и других тюркских народов такие фамилии на -ев/-ов появлялись в XIX–XX веках, в основном при документации в Российской империи и советском паспортном учёте. То есть Сисимбаев — это русифицированная форма отчества: «сын Сисимбая». Если бы фамилия сохранилась в исконной тюркской форме, она звучала бы как Сисимбайулы (у казахов) или Сисимбаевич (в русском отчестве).

Географически фамилия тяготеет к Западному Казахстану, Оренбургской и Астраханской областям, где исторически смешивались казахские и русские фамильные модели. Встречаемость низкая — это не массовая фамилия, что говорит о локальном происхождении: вероятно, родоначальник был известен в пределах одного аула или рода. Сословно носители могли быть как скотоводами-кочевниками, так и, после оседания, крестьянами или казаками.

С точки зрения ономастики, Сисимбаев интересен тем, что его основа не является популярным именем вроде Ахмет или Иван. Имя Сисимбай — редкое даже для тюркского антропонимикона, что делает фамилию почти уникальным маркером конкретной семейной линии. Если сравнивать с однокоренными фамилиями (например, Сисембаев, Сезимбаев), то написание с двумя «с» и «и» в первом слоге —, скорее всего, результат записи на слух при паспортизации, так как в устной речи мягкость согласных могла передаваться по-разному.