Фамилия Усамбаев — редкий случай, когда географический корень прослеживается почти однозначно, но точное значение ускользает. Основа фамилии — личное мужское имя Усамбай, которое состоит из двух частей: «усам» и «бай». Вторая часть, «бай», в тюркских языках означает «богач», «господин», «хозяин» — распространённый компонент в именах народов Средней Азии, Кавказа и Поволжья (сравните: Алтынбай, Карабай, Исламбай). С первой частью сложнее: «усам» не является общеупотребительным тюркским словом. Скорее всего, это диалектная или искажённая форма арабского имени Хусам (Хусамуддин) — «меч», «острый меч». В таком случае Усамбай — «хозяин меча» или «господин, подобный мечу», то есть имя с пожеланием твёрдости и воинской доблести.

Модель образования фамилии типична для народов, где русский суффикс -ев присоединялся к местным именам, оканчивающимся на согласный или -й. Усамбай → Усамбаев — «сын Усамбая». Такая фамилия могла сложиться в среде башкир, татар или казахов, а также у народов Дагестана, где имя Усам (Хусам) встречается в разных вариациях. В русских документах фамилия фиксируется поздно, в XIX — начале XX века, когда начался массовый учёт нерусского населения.

Есть и альтернативная, менее вероятная версия: от тюркского «ус» — «мастер», «умелец» (ср. «уста» в турецком). Но тогда имя звучало бы как Устабай, а не Усамбай. Поэтому этимология через арабское «Хусам» убедительнее.

Географически фамилия Усамбаев встречается в основном в Башкортостане, Татарстане, Оренбургской области и в Казахстане. Носители — потомки скотоводов, земледельцев или воинов, получивших имя с «меченосным» значением. Суффикс -ев, а не -ов, указывает, что основа имени заканчивалась на мягкий согласный или й, что подтверждает исходную форму Усамбай.

Сравнение с однокоренными фамилиями: Усамов, Усамбаев, Хусамов, Хусаинов — все восходят к одному корню, но через разные диалектные и фонетические варианты. Фамилия Усамбаев сохранила архаичный компонент «бай», который в соседних фамилиях мог редуцироваться или заменяться.