Фамилия Улемаев — редкий случай, когда прозвище образовано от слова, давно вышедшего из живого обихода. В основе лежит тюркское «улема» — множественное число от арабского «алим» (знающий, учёный). В исламской традиции так называли богословов, знатоков шариата, вообще людей с религиозным образованием. Форма на -ев указывает на русскую модель патронимии: Улемаев буквально значит «сын Улемая», то есть потомок человека, которого в округе прозвали Улемаем.

Суффикс -ай в тюркских именах и прозвищах типичен для татарской, башкирской, казахской среды. Он мог придавать имени ласкательный или бытовой оттенок. То есть Улемай — это не официальный титул, а скорее уличное прозвище: «наш учёный», «грамотей», возможно, мулла или учитель в деревенской школе. Прямых параллелей в русских документах XV—XVII веков почти нет — фамилия явно поздняя, скорее всего, сформировалась уже в конце XIX века, когда у татар и башкир начали массово закрепляться фамилии по отцу.

Географически Улемаевы тяготеют к Поволжью и Приуралью — Оренбургская, Челябинская области, Башкортостан, Татарстан. Встречаемость очень низкая: фамилия не входит даже во вторую сотню тысяч по частотности. Это значит, что большинство носителей, скорее всего, потомки одной или нескольких родственных семей, разошедшихся по региону.

Интересна морфологическая нестыковка: тюркское множественное число «улема» в русском языке воспринимается как единственное, и от него образуют русский патроним. Если бы фамилия складывалась внутри тюркской языковой среды, она выглядела бы иначе — например, Улемаев мог бы быть Улемаулы или Улемаоглы. Но русский суффикс -ев однозначно указывает на то, что фамилия оформлялась уже в русскоязычной среде, вероятно, при переписях или паспортизации.

Версия о происхождении от личного имени Улемай (незафиксированного в мусульманских именословах) выглядит слабее: скорее всего, это именно прозвище, а не каноническое имя. Других гипотез — связь с украинским «улем» (улей) или диалектным «улематься» (суетиться) — ономастика не поддерживает из-за отсутствия географических и фонетических подтверждений.