Фамилия Тимербаиев — тюркская по происхождению, и её разумнее всего разбирать, отталкиваясь от имени-основы. В основе лежит составное мужское имя Тимербай, которое до сих пор встречается у башкир, татар и других тюркских народов. Оно складывается из двух частей: «тимер» — «железо» и «бай» — «богач, хозяин, господин». В буквальном смысле имя переводится как «железный богач» или «крепкий, как железо, хозяин», что в традиционной культуре звучало как пожелание несокрушимого здоровья, богатства и силы.

Суффикс -ев в фамилии — это русский патронимический формант, который присоединили к тюркской основе. По модели образования Тимербаиев — это типичная «сыновья» фамилия: Тимербай → Тимербаев → Тимербаиев. Вариант с -иев вместо -ев мог возникнуть из-за особенностей произношения или записи в документах: в некоторых говорах конечный «й» основы «Тимербай» давал на стыке с суффиксом звук «и», который и закрепился на письме. Поэтому Тимербаиев и Тимербаев — это, по сути, одна фамилия в разных графических вариантах.

Географически фамилия тяготеет к регионам Поволжья и Урала, особенно к Башкортостану и Татарстану. Встречается она и у казахов, но там чаще пишется как Тимербаев, без «и». В русских переписных книгах XIX века такие фамилии фиксировали у тептярей, башкир и мишарей — сословий, которые активно переходили на оседлый образ жизни и получали фамилии по имени отца. Социальный контекст прост: предки носителя фамилии — скорее всего, незнатные, но зажиточные крестьяне или скотоводы, получившие прозвище за крепость и хозяйственность.

Стоит отметить, что вторая часть имени — «бай» — в тюркской ономастике не обязательно указывала на реальное богатство. Часто это был компонент-оберег: считалось, что имя с «баем» привлечёт в дом достаток. Так что Тимербаиев — это не столько «сын железного богача», сколько «сын того, кого назвали железным и богатым в надежде на удачу».