Фамилия Арсеньев — одна из тех, что образовались напрямую от полной формы крестильного имени, без промежуточных прозвищ. В основе лежит имя Арсений, которое пришло на Русь вместе с православием из греческого языка. Греческое «арсениос» означает «мужественный» — так называли мальчиков, желая им силы и стойкости.

В русской ономастической традиции фамилии на -ев обычно возникали, когда имя или прозвище оканчивались на -ий. Арсений → Арсеньев. Суффикс -ев указывает на принадлежность: буквально «сын Арсения» или «потомок Арсения». Модель простая и древняя, типичная для княжеских и боярских родов, но в равной степени работавшая и для крестьян, и для духовенства.

Интересно, что имя Арсений долгое время было преимущественно монашеским. В святцах почитается несколько святых с этим именем, самый известный — преподобный Арсений Великий, воспитатель императоров. Поэтому среди носителей фамилии Арсеньев могло быть немало выходцев из церковной среды, где имена давали по святцам, не ориентируясь на светскую моду. Однако со временем имя распространилось шире, и фамилия перестала указывать на сословную принадлежность.

По подсчётам ономатологов, фамилия Арсеньев встречается по всей России, но заметно чаще — в центральных областях и Поволжье. Встречаются и варианты с ударением на втором слоге — Арсе́ньев, что характерно для некоторых говоров, где имя произносили как Арсе́ний. В официальных документах XIX века закрепилось ударение на первом слоге — А́рсеньев, под влиянием литературной нормы.

Сравните с однокоренными фамилиями: Арсенин (от краткой формы Арсеня), Арсенов (от варианта Арсен), Арсеньевский (с более поздним суффиксом, указывающим на происхождение из определённой местности). Арсеньев стоит в этом ряду как самая старая и прямая форма: без сокращений и дополнительных суффиксов, просто «чей?» — Арсеньев.