Фамилия Арсен — редкий случай в русском ономастиконе, и её происхождение не укладывается в привычную схему «отчество от крестильного имени». Чтобы понять, откуда она взялась, придётся отбросить шаблон и посмотреть на неё как на пришельца: фамилия явно не великорусская по форме, и её корни ведут в южные или кавказские регионы.

Самое очевидное объяснение — это русифицированная версия армянской фамилии Арсенян или грузинской Арсенидзе/Арсенашвили. В армянском и грузинском имя Арсен (от греческого «арсен» — «мужской, мужественный») — распространённое личное имя. При переселении в Российскую империю окончание фамилии часто обрубали до удобного для русского уха: так Арсенян превращался в Арсена, а потом, по аналогии с русскими фамилиями на твёрдый согласный, — в Арсен. В этом случае фамилия не имеет суффикса -ов/-ев, что для исконно русских фамилий нетипично: они обычно образуются от имён с помощью патронимических суффиксов (Иван — Иванов), а Арсен — это чистая основа, «голое» имя в роли фамилии.

Вторая версия, менее вероятная, но возможная для небольшого числа носителей в западных регионах бывшей Речи Посполитой, — это польская или белорусская фамилия от имени Арсен (польск. Arsen). В польской традиции фамилии на -ен встречаются чаще, но обычно они имеют суффикс -енко (украинское влияние) или -евич. Форма Арсен без суффикса в польском языке скорее указывала бы на прозвище или на то, что предок был духовным лицом (в католических списках святых есть святой Арсений, но форма Арсен — редкое сокращение).

Географически фамилия Арсен сегодня встречается разрозненно: в Краснодарском крае, Ростовской области, в Москве и Санкт-Петербурге. Это типичные места концентрации выходцев с Кавказа и Закавказья, что подтверждает первую версию. Сословно предки могли быть кем угодно: от крестьян-переселенцев до городских ремесленников или священников, но чёткой привязки к дворянству или казачеству нет.

Единственное, что можно сказать с уверенностью: фамилия Арсен — не результат случайной ошибки писаря, а осознанное сокращение полной патронимической формы. В русских метрических книгах XIX века её почти не найти в чистом виде, зато встречаются варианты Арсенов, Арсентьев и Арсеньев — они как раз образованы по стандартной модели и означают «сын Арсения». А вот Арсен — это либо «сын Арсена» (если считать имя Арсен самостоятельным), либо, что вероятнее, «тот, кто носит имя Арсен как фамилию», без родового суффикса.