Фамилия Арсений — редкий случай, когда в основе фамилии лежит не каноническое крестильное имя, а его полная форма. Обычно от имён образовывали фамилии с суффиксами -ов, -ев или -ин: Арсеньев, Арсентьев. Здесь же мы видим чистую основу, без добавочного суффикса. Такая модель — «бессуффиксная» — встречается реже и чаще фиксировалась в южных и западных регионах Российской империи, а также в среде духовенства, где фамилии нередко давали напрямую от имени святого.

Имя Арсений пришло из греческого языка и переводится как «мужественный». Святой покровитель носителей этого имени — преподобный Арсений Комельский, игумен Троице-Сергиевой лавры. Стремясь к подвигу безмолвия, он тайно оставил монастырь и ушёл в Комельский лес, где основал пустынь. В крестьянской среде фамилия Арсений могла закрепиться за сыном или внуком человека по имени Арсений — в тех говорах, где было принято называть человека по имени без патронимического суффикса («чей ты? — Арсениев», а потом «Арсений»).

Поскольку суффикс отсутствует, фамилия не склоняется как типичная русская фамилия на -ий, что тоже указывает на её позднее оформление или нерусское происхождение в отдельных случаях. Возможно, часть носителей получила фамилию не по отцу, а по прозвищу Арсений, которое давали за спокойный, «монашеский» нрав или за внешнее сходство с образом святого. Окончательно утвердиться в качестве фамилии имя могло только после отмены крепостного права, когда бывшим крепостным массово записывали фамилии по имени главы семьи — и тогда вместо привычного Арсеньев писарь мог записать просто Арсений.