Фамилия Темиркаев образована по тюркской модели с суффиксом -ев, который в русском языке закрепил фамилию за потомками человека по имени или прозвищу Темиркай. Основа здесь — тюркское «темир» (железо), широко распространённое в личных именах у многих народов: татар, башкир, кумыков, ногайцев, казахов. Компонент «кай» или «кайы» может быть уменьшительно-ласкательным аффиксом, либо частью сложного имени. Таким образом, имя Темиркай — это «железный» или «крепкий, как железо», что было типичным пожеланием мальчику силы и твёрдости характера.

Словообразовательная модель проста: к основе Темиркай добавили русский патронимический суффикс -ев (вариант -ов после мягкого согласного). В тюркской среде фамилии на -ев/-ов стали массово фиксироваться в XIX — начале XX века, когда имперская администрация проводила учёт населения. До этого человек мог зваться просто Темиркай, а его сына называли Темиркай улы (сын Темиркая). В документах эту форму заменили на русский лад — Темиркаев.

Географически фамилия тяготеет к Северному Кавказу и Поволжью. Особенно часто она встречается у балкарцев и карачаевцев, где имя Темиркай не редкость, а также у кумыков и ногайцев. Встречается и у татар, но реже. В среде балкарцев возможна параллельная форма Темиркаев — от имени Темиркъай, где второй компонент восходит к «къай» (скала, утёс), что усиливает значение: «железная скала». Эта версия не противоречит основной, а лишь уточняет местную семантику.

В отличие от фамилий на -ов, которые в русском языке часто указывают на принадлежность отцу, здесь суффикс работает так же, но исходное имя — тюркское, а не славянское. Сравните с однокоренными: Темиров, Темирханов, Темирбулатов. Все они несут один корень «темир», но разные вторые части. Фамилия Темиркаев выделяется именно редким аффиксом -кай, который не образует отдельных фамилий так часто, как -хан или -бек.

Сословной привязки у фамилии нет: её могли получить и крестьяне, и уздени (свободные общинники) на Кавказе, и служилые татары. Письменные источники по конкретным носителям фамилии ранее XX века редки, что типично для многих тюркских фамилий, не попавших в дворянские родословные книги. В советское время фамилия закрепилась окончательно и сегодня остаётся живым свидетельством древнего обычая давать детям «железные» имена в надежде на несгибаемость судьбы.