Фамилия Тулемышев — редкий случай, когда в основе лежит не славянское имя или прозвище, а тюркское слово, причём с неочевидной семантикой. Она образована по стандартной русской патронимической модели: к тюркской основе добавили суффикс -ев (вариант -ов после мягкого согласного), означающий «сын» или «потомок». То есть Тулемышев — буквально «сын Тулемыша».

Корень здесь — «тулемыш» (или «төлөмүш» в зависимости от диалекта). В тюркских языках, особенно в казахском, башкирском и татарском, это слово восходит к глаголу со значением «платить», «расплачиваться», «возмещать». Однако прямое значение «плательщик» вряд ли было прозвищем. Скорее всего, это имя-оберег или имя-пожелание: в традиционной культуре ребёнку могли дать имя Тулемыш, чтобы он вырос человеком, который умеет отдавать долги, быть щедрым или, наоборот, чтобы его не преследовали материальные трудности. В некоторых говорах «тулемыш» также могло означать «расчётливый», «хозяйственный».

Интересна география. Фамилия Тулемышев почти не встречается за пределами России и, судя по базам данных, концентрируется в Оренбургской области и Башкортостане. Это регионы, где веками жили башкиры, татары и казахи, а после присоединения к Российской империи их имена часто русифицировали через добавление суффиксов. Альтернативная, менее вероятная версия связывает основу с арабским «тулема» (множественное число от «алим» — учёный), но тогда форма была бы Тулемашев, а не Тулемышев — гласная «ы» указывает именно на тюркский глагольный корень.

Социальный статус предков, скорее всего, был крестьянским или казачьим. В Оренбуржье среди казаков и тептярей (сословие, близкое к государственным крестьянам) такие фамилии фиксировались в переписях XIX века. Дворянских родов Тулемышевых не известно — фамилия осталась в народной среде, что делает её типичным примером «бытовой» ономастики, где имя-характеристика со временем закрепилось за целым родом.