Фамилия Уртемеева — женская форма фамилии Уртемеев, и её происхождение напрямую связано с редким и неочевидным корнем. В отличие от большинства русских фамилий, образованных от крестильных имён (Иванов, Петров) или профессий (Кузнецов), эта фамилия почти наверняка восходит к тюркскому прозвищу или имени.

Словообразовательная модель типична для русского Поволжья и Приуралья: основа Уртеме(й) + типичный русский патронимический суффикс -ев (указывающий на принадлежность: «сын Уртемея»). Суффикс -ев, а не -ов, ставится, если основа оканчивается на мягкий согласный или «й». Сама основа «Уртеме(й)» — это, скорее всего, искажённое тюркское имя или прозвище.

Наиболее вероятная версия: фамилия образована от имени Уртеме́с (варианты: Уртемис, Уртемеш), которое распространено у башкир, татар и казахов. В тюркских языках «ур» означает «ударь», «бей», а «темес» (от «теме» — верблюд, или как часть сложного имени) — «не тронь», «не бей». В целом имя могло означать «бей врага» или быть оберегом (имя-пожелание). В русской среде конечное -с легко заменялось на -й, так появилось Уртеме́й, а от него — Уртемеев.

Географически фамилия тяготеет к регионам с давним тюркским субстратом: Оренбургская, Челябинская области, Башкортостан, Татарстан. Встречается и у русских, и у крещёных татар или башкир. Поскольку фамилия редкая, её носители, скорее всего, происходят из одного локального рода.

Спорных версий немного. Иногда основу пытаются связать с русским диалектным словом «уртема» (топь, болото), но это маловероятно: суффикс -еев нехарактерен для основ на -а, и географическая привязка не совпадает. Тюркское происхождение остаётся единственным убедительным объяснением.