Фамилия Агеносова — женская форма фамилии Агеносов, а та, в свою очередь, образована от мужского имени или прозвища Агенос. В основе лежит редкое для русских фамилий греческое имя Агенор (др.-греч. Ἀγήνωρ), означающее «мужественный», «герой». В греческой мифологии Агенор — царь Финикии, отец Европы и Кадма. Имя попало в русский обиход через святцы, но широкого распространения не получило, поэтому и фамилия считается довольно редкой.

Словообразовательная модель типична для русских фамилий: суффикс -ов присоединяется к основе, указывая на принадлежность («чей?» — сын Агеноса). В народной речи греческое Агенор могло трансформироваться в более привычную форму Агенос — так же, как Феодор превращался в Федос. Соответственно, Агеносов — это «потомок Агеноса». Географически фамилия встречается разрозненно, без ярко выраженного регионального гнезда, что подтверждает её книжное, а не диалектное происхождение.

Есть и более прозаичная версия: в некоторых говорах «агенос» могло быть искажением слова «агнец» (ягнёнок) или производным от диалектного глагола, связанного с гоном скота. Но эта гипотеза менее убедительна: имя Агенор в святцах зафиксировано, а прозвище от «агнец» дало бы фамилию Агнецов или Ягняткин. Вероятнее всего, предки носителей фамилии были крещёными людьми, получившими редкое календарное имя, которое в быту упростилось.

Поскольку имя Агенор встречалось в основном в духовной среде (священники и монахи часто получали необычные греческие имена по святцам), можно предположить, что первые Агеносовы имели отношение к церковному сословию. Однако фамилия могла возникнуть и в крестьянской среде — если в семье чтили память святого Агенора, день памяти которого приходится на 18 июля (по старому стилю 5 июля).