Фамилия Антосенков хранит след миграции: её основа — украинская или белорусская фамилия Антосенко, к которой добавили русский суффикс -ов. Такой двойной суффикс -енк-ов — характерная черта фамилий, которые «переезжали» из малороссийских или западных губерний в великорусские земли в XVII–XIX веках. В ономастике такие случаи называют «фамилиями вторичного образования»: сначала возникла фамилия Антосенко (буквально «маленький Антон» или «сын Антона»), а затем её превратили в Антосенков — то есть «сын Антосенко». Это говорит о том, что фамилия бытовала в среде, где была распространена патронимическая система: сын Ивана — Иванов, сын Антосенко — Антосенков. Такая модель встречается реже, чем простые -ов или -ин, и часто указывает на миграцию семьи из южных или западных регионов в центральную Россию.

Корень фамилии — крестильное имя Антон, из латинского Antonius («вступающий в бой»). Оно одно из самых популярных в славянском мире, поэтому у Антосенкова много «родственников»: Антонов, Антоненко, Антончик, Антонюк, Антошин. Но именно форма Антосенков выделяется своей словообразовательной историей: она хранит след того, как фамилия меняла облик, переходя из одной языковой среды в другую.

Географически фамилия Антосенков тяготеет к Курской, Орловской, Воронежской и другим областям Черноземья, где издавна смешивались русские и украинские говоры. Встречается она и в Смоленской, Брянской областях — на границе с Беларусью. В дореволюционных переписях носители фамилии чаще всего значились государственными крестьянами или однодворцами — потомками служилых людей, охранявших южные рубежи. Никаких дворянских родов с такой фамилией в гербовниках не зафиксировано.