Фамилия Тимуркаева образована от мужского личного имени Тимуркай, которое представляет собой народную, обиходную форму тюркского имени Тимур. Само имя Тимур в переводе с тюркских языков означает «железо» — отсюда и смысловая основа фамилии: предок носителя мог быть назван в честь легендарного полководца Тамерлана (Тимура), либо имя давали как пожелание твёрдости и крепости характера. Суффикс -кай в имени Тимуркай — уменьшительно-ласкательный, характерный для татарской и башкирской антропонимии (ср. Ахметкай, Хабибулкай). Фамилии на -ев в данном случае присоединяется к основе, оканчивающейся на -ай: Тимуркай → Тимуркаев (сын Тимуркая), женская форма — Тимуркаева.

Географически фамилия тяготеет к регионам с компактным проживанием татар и башкир — это Татарстан, Башкортостан, а также соседние области Поволжья и Урала. Встречается она относительно редко, что указывает на её локальное происхождение: скорее всего, родоначальник жил в конкретном селе или ауле, и фамилия закрепилась за его потомками без массового распространения. По словообразовательной модели это типичная патронимическая фамилия (от имени отца), а не прозвищная или профессиональная.

Интересная деталь: в русских документах XVIII–XIX веков фамилию могли записывать с вариациями — Темиркаев, Темиркеев, Тимуркеев. Чередование гласных в первом слоге (и/е) связано с тем, что в тюркских языках звук передавался неодинаково, а русские писцы фиксировали его на слух. Современное написание Тимуркаева закрепилось как нормативное, но в дореволюционных метрических книгах можно найти обе формы. Сословно носители фамилии чаще всего были государственными или ясачными крестьянами, реже — служилыми татарами, так как основная масса тюркского населения края не относилась к дворянству.