Фамилия Тулемисова — женская форма фамилии Тулемисов, а та, в свою очередь, почти наверняка образована от мужского имени Тулемис. В основе лежит тюркское или казахское двусоставное имя, которое можно разобрать как «туле» (полный, совершенный, или же вариант имени «Толе» — спокойный, довольный) и «мис» (медь, либо указание на твёрдость, крепость). Таким образом, имя Тулемис могло означать «крепкий, как медь» или «совершенная медь» — пожелание мальчику здоровья, стойкости и несгибаемости. Это типичная для кочевых народов метафора: металл ценился как символ прочности и долговечности.

Географически фамилия Тулемисова (и Тулемисов) прочно привязана к Казахстану и прилегающим регионам России — Оренбургской, Астраханской областям, где исторически велика доля казахского населения. Суффикс -ов/-ев в русской передаче указывает на то, что фамилия оформлялась уже в русскоязычной среде или в документах Российской империи, когда к тюркскому имени добавляли стандартный русский патронимический суффикс. Сама модель «имя + -ов» в XIX–XX веках была массовым способом русификации фамилий для казахов, татар и башкир, поэтому Тулемисов — не исключение, а скорее правило для своей эпохи.

Интересно, что фамилия сохранила редкий для русского уха корень «туле-», который в русском языке почти не встречается (разве что в названии города Тула, но это случайное совпадение). Это делает фамилию ярким маркером происхождения: носители почти наверняка имеют казахские или смешанные корни, а сама фамилия — прямое указание на имя предка, жившего в XVIII–XIX веках. Других версий происхождения, например, от прозвища или профессии, нет — это чистый патроним, «сын (или дочь) Тулемиса».

Встречаемость фамилии невысокая, она не входит в сотни самых распространённых казахских фамилий, но и не является единичной. Встречаются варианты написания с одной «с» (Тулемисова) и с двумя (Тулемиссова) — это следствие нестабильной записи в паспортных столах советского времени, когда двойные согласные то ставили, то убирали. Правильное написание по современным нормам — с одной «с», так как в основе имени «мис» (медь) удвоения нет.