Фамилия Агайсенова — редкий пример фамилии, образованной от полного арабского имени с тюркским суффиксом принадлежности. В основе лежит мужское имя Агайсен (варианты: Агайсин, Агайсен), которое состоит из двух частей: «ага» (в тюркских языках — «господин», «старший», «почтенный») и «сен» (от арабского «сан» — «похвала», «восхваление» или «сияние»). Таким образом, имя можно перевести как «почтенная похвала» или «сияющий господин». Встречается у казахов, ногайцев, реже у других тюркских народов.

Суффикс «-ова» указывает на женский род носительницы фамилии (Агайсенова — дочь или жена Агайсена). В русской традиции закрепления фамилий у тюркских народов в XIX–XX веках такие формы стали передаваться по наследству, независимо от пола. Мужской вариант — Агайсенов.

Фамилия могла возникнуть в среде кочевой знати или духовенства: имя Агайсен нередко давали в семьях, где ценили религиозное образование и уважение к старшим. Поскольку имя составное и редкое, оно указывает на сознательный выбор — не случайное прозвище, а имя с четкой смысловой нагрузкой. Географически фамилия чаще всего встречается в Западном Казахстане (Атырауская, Мангистауская области) и среди ногайцев Ставрополья.

В отличие от фамилий на «-ов», образованных от профессий или внешних признаков, Агайсенова сохраняет прямую связь с личным именем. Это типично для поздних фамилий, которые фиксировали уже сложившийся антропонимикон, а не создавали новые прозвища. В русских документах фамилия могла записываться с искажениями: Агайсинова, Агайсенова через «е» или «ё», но исходная форма удерживается за счет сохранения имени у старшего поколения.