Фамилия Арсеновы (а также её вариант Арсёновы) образована от крестильного имени Арсений. В основе фамилии лежит не полная церковная форма, а её просторечный, обиходный вариант — Арсен (или Арсён). Такое усечение имени — распространённая практика в русской ономастике, когда длинное официальное имя в быту сокращали, и именно эта краткая форма ложилась в основу фамилии. Имя Арсений пришло на Русь из греческого языка и означает «мужественный», так что первоначальный смысл фамилии — «потомок мужественного человека».

Модель образования типична для русских фамилий: суффикс -ов (или -ёв под ударением) указывает на принадлежность — буквально «чей?» — «Арсенов», то есть сын, внук или потомок Арсена. Это так называемые «патронимические» фамилии, которые в центральной России и на севере чаще всего оформлялись именно суффиксом -ов/-ев.

Говорить о точном месте возникновения фамилии сейчас сложно: процесс закрепления наследственных прозваний шёл несколько столетий и завершился в основном к XVII–XVIII векам. Однако можно предположить, что фамилия Арсеновы встречалась в разных регионах, где было распространено имя Арсений, — например, в среде духовенства (имя часто давали монахам и священникам) или в купеческой среде, где ценились традиционные церковные имена.

Особенность этой фамилии — её двойное написание: через «е» (Арсенов) и через «ё» (Арсёнов). Второй вариант точнее отражает народное произношение, при котором ударение падало на последний слог, а гласный звук менялся. В документах XIX — начала XX века оба написания могли сосуществовать даже в одной семье, пока реформа орфографии не закрепила фамилии в их современном виде.