Фамилия Тумамбаева образована по распространённой в тюркских языках модели: к основе мужского имени или прозвища добавляется аффикс принадлежности, а затем — русский суффикс -ев (в женском роде -а). В данном случае исходная форма — Тумамбай. Это составное имя, где первая часть «туман» в тюркских языках означает «туман, мгла», а в переносном смысле — «неясный, загадочный, смутный». Вторая часть «бай» — традиционный компонент многих тюркских имён, означающий «богач, хозяин, господин». Таким образом, имя Тумамбай могло пониматься как «богатый, как туман» или «владеющий туманом», что для кочевых народов, хорошо знавших степные туманы, могло быть метафорой скрытности, могущества или непостижимости.

Фамилия Тумамбаева — женская форма; мужская — Тумамбаев. Она характерна для народов, говорящих на языках кыпчакской группы тюркских языков: казахов, башкир, татар, ногайцев. Встречается также у каракалпаков. Географически фамилия наиболее распространена в Казахстане, особенно в западных и южных областях, а также среди казахской диаспоры в России (Астраханская, Оренбургская области). В русских документах фамилия закрепилась в XIX — начале XX века, когда у кочевых народов начали массово фиксировать фамилии по отцу, и сын Тумамбая становился Тумамбаевым.

С точки зрения словообразования, фамилия Тумамбаева стоит в ряду других фамилий на -баев (Аманбаев, Досбаев, Жолдыбаев). Суффикс -ев здесь не русский патронимический, а адаптированный тюркский аффикс, присоединённый к имени на согласный. В отличие от фамилий на -ов, где основа оканчивается на твёрдый согласный, в Тумамбаеве конечный «й» смягчает суффикс до -ев. Эта деталь указывает на то, что фамилия не прошла полную русификацию, а сохранила тюркскую фонетику.

О социальном статусе первых носителей фамилии можно судить по компоненту «бай»: он указывает на зажиточность, но не обязательно на аристократическое происхождение. Тумамбаевы могли быть скотоводами, владельцами табунов, либо же потомками уважаемых старейшин. Встречается фамилия и среди казахов Среднего жуза, но точная родовая привязка требует генеалогического исследования. В современном русском языке фамилия склоняется по правилам прилагательных: Тумамбаевой, Тумамбаеву.