Фамилия Зимаева — женская форма, а её основа восходит к мужскому мирскому имени Зима. Такие имена были распространены на Руси до введения обязательных христианских имён и часто давались по обстоятельствам рождения ребёнка. Если младенец появлялся на свет в холодное время года, его могли наречь Зимой — по названию сезона. Эта версия логична и прозрачна, но не единственная.

Более правдоподобно, что имя Зима не было прямым указанием на время года, а выполняло роль личного прозвища-оберега. В древнерусской традиции «холодными» именами (Мороз, Студень, Зима) нередко называли детей, чтобы отогнать злых духов или, наоборот, пожелать ребёнку крепкого здоровья и закалки. От этого имени и пошли фамилии Зимины, Зимаевы и другие однокоренные варианты.

Фамилия Зимаева образована по продуктивной модели с суффиксом -ев, который присоединялся к основам на мягкий согласный или -а/-я. В данном случае к основе Зима- добавили -ев, а затем фамилию привели к женскому роду с окончанием -а. Мужской вариант — Зимаев.

Родственные фамилии — Зимников (от «зимник» — санный путь или зимняя дорога), Зимницын (возможно, от топонима Зимницы) — показывают, что корень «зим-» в русских фамилиях многозначен. Он мог указывать и на род занятий (ямщик, зимний извозчик), и на место жительства, и на личное имя. В случае с Зимаевой связь с именем-оберегом остаётся наиболее убедительной.