Фамилия Агеносов — редкий случай, когда основа не очевидна даже для носителя языка. Если отбросить типичный русский суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?»), остаётся корень Агенос. В нём сразу слышится что-то нерусское, и это верное направление.

Самая вероятная версия связывает фамилию с греческим именем Агено́р (Αγήνωρ). В древнегреческой мифологии Агенор — царь Финикии, отец похищенной Зевсом Европы. Имя переводится как «мужественный» или «героический». В православных святцах это имя отсутствует, но в южнославянских и греческих землях оно бытовало. Попасть в русскую среду оно могло через греческое духовенство или купечество, а затем обрусело, получив типичный фамильный суффикс -ов. Таким образом, Агеносов — это «сын Агеноса» (в просторечии — Аген). В бытовой речи греческое Агенор могло сократиться до Аген, а затем обрасти русским окончанием -ос, характерным для некоторых просторечных форм имён (сравните с Никифорос, Пантелеймон). Именно эта форма — Агенос — и легла в основу фамилии.

Менее распространённая, но возможная версия — искажение отчества от имени Агафон (от греческого «агатос» — добрый, хороший). В устной речи Агафонов могло перейти в Агеносов через аканье и замену согласных. Однако эта гипотеза слабее: слишком много фонетических изменений нужно допустить, тогда как прямая связь с греческим Агенором более прозрачна и не требует натяжек.

Суффикс -ов указывает на то, что фамилия сформировалась в среде великорусского населения, скорее всего, не ранее XVI–XVII веков. Носители фамилии — потомки человека, которого в документах записали как Аген (сокращённое от Агенор) или Агенос. По сословной принадлежности предки могли быть как священниками (греческое влияние среди духовенства было сильным), так и крестьянами или мещанами, получившими фамилию по прозвищу отца. В пользу духовного происхождения говорит тот факт, что греческие имена чаще давали именно в церковной среде, а не в крестьянской, где предпочитали канонические святцевые имена.

Фамилия встречается редко, её очаги — центральные области России, где оседали греческие выходцы. В советское время фамилия получила известность благодаря филологу Владимиру Агеносову, специалисту по русской литературе XX века, что косвенно подтверждает интеллигентские корни рода.