Фамилия Тюлемисов — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. Её основа, отсутствие типичных русских суффиксов в корне и географическая привязка указывают на то, что перед нами не исконно славянская, а скорее тюркская или, шире, восточная фамилия, русифицированная с помощью патронимического суффикса -ов.

Самый прямой путь к разгадке лежит через имя Тюлемис. Это мужское личное имя, распространённое у казахов, киргизов, татар и башкир. В тюркских языках оно восходит к глаголу со значением «просить», «молить», «желать». Полное имя-оберег: Тюлемис переводится как «желанный», «выпрошенный у Бога». Родители давали такое имя долгожданному, позднему ребёнку, которого вымаливали у высших сил. Таким образом, фамилия Тюлемисов буквально означает «потомок Тюлемиса», то есть «сын желанного ребёнка».

Суффикс -ов указывает на то, что фамилия была оформлена по русской модели уже после вхождения тюркских народов в состав Российской империи, в XIX веке, при переписях и учёте населения. Встречаются также варианты написания: Тюлемесов, Тюлямисов, но основная форма — через «и» — более точно передаёт звучание исходного имени. Географически фамилия тяготеет к Оренбургской, Астраханской областям, Башкортостану и Казахстану — регионам, где веками жили казахи и татары.

В отличие от многих русских фамилий, образованных от прозвищ по профессии или внешности, Тюлемисов несёт в себе личную, семейную историю. Она не говорит о роде занятий предка, а рассказывает о семейной ценности — о ребёнке, которого ждали. Это характерная черта многих восточных фамилий: они часто происходят от имён-пожеланий, а не от социального статуса. Поэтому версия о происхождении от прозвища «тюля» (нечто мешковатое) или от диалектного глагола маловероятна — она не объясняет ни географию, ни распространённость корня в ономастиконе тюркских народов.