Фамилия Урстемова — редкий случай, когда основа не поддаётся однозначной славянской или тюркской этимологии без дополнительных оговорок. Начать стоит с суффикса: -ов типичен для русских фамилий, образованных от мужских имён или прозвищ на твёрдый согласный. Женская форма Урстемова указывает, что исходная мужская фамилия — Урстемов. Значит, предка по мужской линии звали Урстем или прозывали Урстемом.

Корень «Урстем» в русском языке не встречается. Скорее всего, он восходит к тюркским языкам, где возможны два варианта. Первый — от арабского имени Урстем (вариант Рустем, Рустам), которое через тюркское посредство (например, у татар или башкир) могло получить начальное «У» вместо «Ру». В таком случае фамилия означает «потомок Рустама» — героя персидского эпоса, чьё имя стало популярным личным именем у мусульманских народов. Второй вариант — от тюркского слова «ур» (ударь, бей) и «стем» (стой, стойкость), что могло сложиться в прозвище вроде «Бей-стой» или «Стойкий удар», но это менее надёжная гипотеза, так как подобные составные прозвища редки.

Географически фамилия Урстемова почти наверняка привязана к регионам с тюркским населением — Татарстану, Башкортостану, северному Кавказу (особенно к ногайцам или кумыкам) или к казахским степям. В русских переписных книгах и ревизских сказках XVIII–XIX веков такая фамилия не фиксируется, что говорит о её позднем оформлении — скорее всего, в XIX — начале XX века, когда у тюркских народов начали массово записывать фамилии по русскому образцу.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Рустемов, Рустамов, Устемов — показывает, что Урстемов может быть фонетическим вариантом, возникшим из-за диалектного произношения или ошибки писаря при записи. В любом случае, фамилия указывает на предка-мужчину, носившего имя, связанное с образом былинного богатыря. Сословно носители могли быть крестьянами или казаками, так как фамилии на -ов среди тюркских народов часто давали именно сельским жителям при переходе к оседлости.