Фамилия Сугембаев — яркий пример антропонима, указывающего на тюркские корни, скорее всего, казахские или киргизские. В её основе лежит сложное имя Сугембай, которое образовано слиянием двух компонентов: «су» (вода) и «гем» (болезнь, хворь) или «кем» (кто). Вторая часть «бай» — традиционный тюркский титул, означающий «богатый», «господин», «хозяин». Таким образом, имя Сугембай могло иметь значение «богатый водою» или, по другой версии, быть обережным именем — «пусть хворь минует» (отрицание болезни). В доисламских и раннемусульманских традициях тюркских народов было принято давать детям «защитные» имена, чтобы уберечь от сглаза и болезней, и Сугембай вполне могло быть таким именем-оберегом.

Словообразовательная модель фамилии типична для регионов, где русская административная система адаптировала местные имена под свои стандарты. Суффикс -ев присоединился к основе Сугембай, превратив личное имя в фамилию по отцу: «сын Сугембая». Это характерно для южных и восточных окраин Российской империи, где в XIX–XX веках проводилась массовая фиксация фамилий у кочевых народов. В отличие от русских фамилий на -ов/-ев, где основа — чаще всего прозвище или профессия, здесь основа — полноценное личное имя, которое до сих пор бытует в Казахстане (например, Сугембай, Сугирбай).

Географически фамилия Сугембаев встречается преимущественно в Казахстане, особенно в южных и западных областях (Туркестанская, Кызылординская, Мангистауская), а также среди казахской диаспоры в России (Оренбургская, Астраханская области). В Киргизии фамилия редка, но возможна в варианте Сүйүмбаев (с другим гласным). В русском написании часто встречается вариативность: Сугембаев, Сугимбаев, Сюгембаев — это связано с передачей тюркских гласных звуков через русскую кириллицу.

Сословно предки носителя фамилии, скорее всего, были скотоводами или земледельцами, входившими в состав одного из казахских родов (жузов). Точная родовая принадлежность без генеалогического древа не определяется, но фамилия Сугембаев не указывает на аристократическое происхождение (тюре или ходжа). Это имя простого кочевника, которое со временем закрепилось за его потомками. В советское время фамилия не подвергалась русификации, так как её тюркская основа была понятна и не требовала перевода.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Сугембаев стоит в одном ряду с Сугурбаевым, Сугирбаевым, Сулейменовым — все они образованы от сложных тюркских имён с компонентом «бай». Отличие Сугембаева в том, что первая часть имени менее распространена и не имеет однозначной этимологии, что делает фамилию более редкой и локальной.