Фамилия Тулемисов — редкий случай, когда основа ясна почти сразу, а география подсказывает версию. Корень здесь — тюркское мужское имя Тулемис (варианты: Тулемес, Тулимис). В казахском и ногайском языках оно означает «прямой», «честный», «справедливый». Имя было пожелательным: родители надеялись, что сын вырастет человеком слова. Фамилия образована по стандартной русской патронимической модели с суффиксом -ов: Тулемис → Тулемисов — «сын Тулемиса». Притяжательное значение тут прямое, без промежуточных прозвищ.

Главная загадка — как это имя попало в русскую фамильную систему. Самый вероятный путь — через казачество или служилых татар. Фамилии на -ов, образованные от тюркских имён, массово фиксируются на Урале, в Оренбуржье и в Астраханской области, где веками жили оренбургские и уральские казаки, а также татары-мишари. Тулемисовы могли быть потомками казаха или ногайца, поступившего на русскую службу и крещёного, либо татарина, чьё имя при переписи просто записали «по-русски». Второй, менее вероятный вариант — фамилия от прозвища Тулемис, которое дали спокойному, рассудительному человеку, но в таком случае она должна была бы сохраниться и в тюркской среде без суффикса, а мы видим именно русифицированную форму.

Словообразовательно фамилия прозрачна, но небанальна: суффикс -ов присоединён к основе, оканчивающейся на -ис, что для русской морфологии редкость. Ударение, скорее всего, падает на последний слог — Тулемисо́в, хотя в бытовой речи встречается и Тулеми́сов. В дореволюционных метрических книгах фамилия могла писаться через «ѣ» или с одним «с» — Тулемисов и Тулемесов считаются вариантами одной основы. Точных сведений о дворянском происхождении нет — скорее всего, это фамилия однодворцев, казаков или государственных крестьян юго-восточных губерний. Сегодня Тулемисовы встречаются в основном в Казахстане и приграничных областях России, что подтверждает исходную географию.