Фамилия Тимербаева происходит от мужского мусульманского имени Тимербай. Это составное имя, которое сложилось из двух древнетюркских основ: «тимер» — «железо» и «бай» — «богач, хозяин, господин». Если первая часть указывала на твёрдость характера или физическую крепость, то вторая выполняла роль оберега: родители нарекали ребёнка «баем», чтобы привлечь к нему богатство и удачу, которыми, по поверьям, обладали баи. Таким образом, имя Тимербай можно перевести как «железный богач» или «крепкий хозяин», и оно должно было пожелать своему носителю и достатка, и устойчивости в жизни.

Подобные имена были широко распространены у тюркских народов, исповедовавших ислам, — у татар, башкир, казахов. Фамилия же образовалась по привычной для русской ономастики модели: к основе Тимербай добавили русский патронимический суффикс -ев, который присоединялся к основам, оканчивающимся на согласный. Форма Тимербаева — это женский вариант фамилии, а мужской, Тимербаев, буквально означает «сын Тимербая».

Интересно, что фамилия сохранила архаичное написание с буквой «е» в первом слоге, хотя в некоторых тюркских языках этот корень звучит как «тимер» (железо), а в других — как «темир». Встречаются и родственные фамилии с тем же корнем, например Темирбаев или Тимербулатов, но Тимербаева отличается именно сочетанием с компонентом «бай», которое подчёркивает социальный статус предка.

Процесс закрепления фамилий у тюркских народов Поволжья и Урала растянулся на несколько столетий, поэтому точно указать место и время возникновения конкретного рода Тимербаевых без генеалогических изысканий нельзя. Однако можно с уверенностью сказать, что предки носителей этой фамилии жили в среде, где ценились одновременно сила и достаток, — и эти качества оказались запечатлены в родовом имени.