Фамилия Тилембаева — женская форма мужской фамилии Тилембаев. Её основа — тюркское имя Тилембай, которое образовано из двух частей: «тилем» (в переводе с казахского, башкирского или татарского — «мой язык», «моя речь») и «бай» (титул «господин», «богач», «хозяин»). В буквальном смысле имя Тилембай означает «господин речи» или «богатый словом». Скорее всего, так называли ребёнка в семьях, где ценили красноречие, умение убеждать или дар рассказчика — это могло быть как пожелание, так и прозвище взрослого человека.

Модель образования фамилии — типичная для тюркоязычных народов, перешедшая в русскую традицию: к основе на согласный (Тилембай) добавляется русский патронимический суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягкого или шипящего). В итоге Тилембай → Тилембаев → Тилембаева. Фамилия не содержит редких суффиксов, но сама основа встречается нечасто: имя Тилембай не такое распространённое, как, например, Тулебай или Карабай, что делает фамилию регионально специфичной.

Географически фамилия Тилембаева тяготеет к Западному Казахстану, Оренбургской области России и северным районам Башкортостана. Встречается и у казахов, и у башкир, и у татар — народов, где имя Тилембай бытовало в прошлом. В архивных записях XIX века такие имена фиксировались среди кочевых скотоводов и оседлых земледельцев, но однозначно отнести носителей к определённому сословию сложно: бай — социальный маркер зажиточности, однако со временем имя стало просто личным, без имущественного оттенка.

Однокоренные фамилии — Тилембаев, Тилембай, Тилембайулы — встречаются редко, что выделяет Тилембаеву среди более массовых тюркских фамилий на -баев. Если ваши предки носили эту фамилию, можно предположить, что в роду были люди, известные острым языком или умевшие вести переговоры — в степи такие качества ценились не меньше, чем сила или богатство.