Фамилия Зималеева — женская форма фамилии Зималеев. Её основа, скорее всего, связана с тюркским или арабским именем Зималей (варианты — Зималай, Зимали). В основе лежит имя Зимал, которое восходит к арабскому слову «зималь» — «попутчик», «спутник», «товарищ». В тюркских языках это имя могло осмысляться как пожелание удачи в пути или как характеристика верного друга. Суффикс -еев указывает на модель образования от имени с конечным -ей: Зималей → Зималеев. Такая модель типична для фамилий, возникших в среде татар, башкир, чувашей и других народов Поволжья, принявших православие, но сохранивших дохристианские или мусульманские имена.

Менее вероятна, но возможна версия, связывающая фамилию с русским словом «зима» — например, через прозвище Зималай (человек, родившийся зимой, или тот, кто «зимует» где-то). Однако в этом случае ожидалась бы форма на -ин (Зималов, Зимин), а не на -еев. Тюркское происхождение выглядит убедительнее из-за характерного суффикса и географической привязки: фамилия Зималеева встречается в Татарстане, Башкортостане, Оренбургской и Самарской областях.

В дореволюционной России носители фамилии, скорее всего, относились к крестьянскому или мещанскому сословию. Точных сведений о дворянском происхождении нет. В метрических книгах XIX века Зималеевы фиксировались как государственные крестьяне или «инородцы» (так тогда называли нерусское население Поволжья). Имя Зималей со временем вышло из употребления, но фамилия сохранила память о нём.