Фамилия Тулембаева — яркий пример тюркской модели образования фамилий, где к основе, восходящей к личному мужскому имени, добавляется русский суффикс принадлежности. В данном случае это суффикс -ев, который присоединяется к основе Тулембай. Форма Тулембаева — женская; мужской вариант этой фамилии — Тулембаев.

Корень фамилии — составное тюркское имя Тулембай. Оно, в свою очередь, распадается на две части: «тулем» (или «тулен») и «бай». Вторая часть, «бай», в тюркских языках означает «богач», «хозяин», «господин»; в составе личных имён этот компонент был очень распространён и указывал на пожелание богатства, знатности или благополучия. Первая часть сложнее. Наиболее вероятная версия возводит её к слову «түле» (в казахском, киргизском, башкирском) — «платить», «отдавать», «возмещать». В таком случае Тулембай могло означать «платящий бай», «щедрый хозяин» или «тот, кто воздаёт». Имя могло быть дано как пожелание щедрости и благосостояния, либо, по другой версии, как имя-оберег в семье, где дети умирали: считалось, что ребёнка «выкупают» или «отдают» высшим силам.

Географически фамилия Тулембаева/Тулембаев уходит корнями в казахскую среду. Она характерна для западных и северных регионов Казахстана, а также встречается у башкир и татар. Распространение фамилии в России связано с миграциями из этих регионов. Интересно, что в русских документах XIX — начала XX века это имя могло записываться с вариантами: Тулебай, Туленбай, что отражает диалектные особенности произношения. Фамилия Тулембаева — не дворянская и не княжеская, а народная, образованная от распространённого личного имени в среде скотоводов и земледельцев.