Фамилия Агайсин — одна из тех, где при внешней простоте скрывается неочевидная история, и её разбор упирается в лингвистическую логику, а не в архивные документы. В основе фамилии лежит личное имя или прозвище Агай. Здесь возможны два близких, но не исключающих друг друга корня: тюркское «ага» («старший брат», «господин», «почтенный человек») или арабо-мусульманское обращение к старшему. В любом случае, за именем стояло уважение по возрасту или статусу.

Ключевая особенность — суффикс -ин. В русской фамильной модели он отвечает на вопрос «чей?» и означает принадлежность: Агайсин — это «сын Агая» или «человек из рода Агая». Ономасты (в частности, Б. Унбегау) отмечают, что суффикс -ин в русском языке чаще прикреплялся к основам, оканчивающимся на гласный, что и произошло с именем Агай. Это ставит фамилию особняком по сравнению с более частотными Агаевыми и Агаповыми, где используется суффикс -ов. В Агайсине чувствуется более архаичная огранка.

Поскольку фамилия не фиксируется в классических списках дворянских или купеческих родов, её происхождение, скорее всего, позднее — из крестьянской или казачьей среды, где фамилии нередко давали по имени отца или по прозвищу. Географически Агайсины чаще встречаются в регионах, где тюркские и славянские традиции смешивались веками: в Поволжье, Оренбургской области, на юге России с татарским или башкирским населением.

В ономастике есть версия, что «агай» был не именем, а прозвищем — так называли человека солидного, уважаемого или просто старшего по возрасту. Тогда фамилия закрепляла социальную роль предка. Можно с уверенностью сказать, что предок нынешних Агайсиных был человеком, которого звали или называли Агаем, и жил он в среде, где русский язык соседствовал с тюркскими наречиями. Среди однокоренных, но ещё более редких фамилий — Агайшин и Агайский.