Фамилия Арсентьев — классический пример русской отчества-фамилии, образованной от крестильного имени. В её основе лежит имя Арсентий, вариант более распространённого Арсений. Оба восходят к греческому слову «арсен» — «мужественный, мужчина». Поэтому прямой ответ на вопрос, что означает фамилия, — «потомок мужественного» или, точнее, «сын Арсентия».

Словообразовательная модель здесь прозрачна: суффикс -ев присоединился к основе имени Арсентий, отсекая конечное -ий. Типичная патронимическая фамилия, каких в России большинство. Интересно, что в документах встречается и вариант Арсентьев, и Арсеньев — обе фамилии ведут родословную от одного корня, но первая закрепилась за формой Арсентий, вторая — за Арсений.

Среди небесных покровителей имени — преподобный Арсений Комельский, игумен Троице-Сергиевой лавры. Эта связь могла повлиять на распространение имени в северных и центральных областях России, где почитали этого святого.

По архивным записям фамилия встречается в разных регионах, что говорит о её давнем и широком бытовании. Книга памяти Калининской области фиксирует Акима Арсентьевича Арсентьева 1879 года рождения из деревни Каменка. В Новгородской области — Александр Арсентьев 1903 года рождения из деревни Первовщина. В документах Республики Дагестан упоминается Александр Андреевич Арсентьев 1899 года рождения, уроженец Пугачевского района Куйбышевской области — пример того, как фамилия распространилась далеко за пределы изначального ареала.

Среди носителей фамилии, оставивших след в истории, — актёр Александр Сергеевич Арсентьев, геолог Алексей Всеволодович Арсентьев и лётчик, Герой Советского Союза Иван Арсентьевич Арентьев. Последний случай — хорошая иллюстрация того, как при записи фамилии могла возникнуть описка или диалектное произношение, закрепившееся в документах.