Фамилия Агайсенова — редкий случай, когда тюркский суффикс принадлежности приращивают не к прозвищу или профессии, а к полному арабскому имени. В основе лежит мужское имя Агайсен (варианты: Агайсин, Агайсен), которое собирают из двух смысловых блоков: «ага» (в тюркских языках — «господин», «старший», «почтенный») и «сен» (от арабского «сан» — «похвала», «восхваление» или «сияние»). Получается «почтенная похвала» или «сияющий господин». Имя составное и редкое — это сознательный выбор, а не случайное прозвище, поэтому оно несёт чёткую смысловую нагрузку. Встречается у казахов, ногайцев, реже у других тюркских народов.

Суффикс «-ова» — формальный показатель женского рода носительницы (Агайсенова — дочь или жена Агайсена). В русской традиции закрепления фамилий у тюркских народов в XIX–XX веках такие формы перестали зависеть от пола и стали передаваться по наследству. Мужской вариант — Агайсенов. 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.

Фамилия могла возникнуть в среде кочевой знати или духовенства: имя Агайсен нередко давали в семьях, где ценили религиозное образование и уважение к старшим. Географически фамилия чаще всего встречается в Западном Казахстане (Атырауская, Мангистауская области) и среди ногайцев Ставрополья. В русских документах фамилию могли записывать с искажениями: Агайсинова, через «е» или «ё», но исходная форма удерживается за счёт того, что имя живёт в устной традиции старшего поколения.