Фамилия Арсентиева — женская форма от Арсентьев, а та, в свою очередь, образована от крестильного имени Арсентий. В основе лежит греческое «арсениос» — «мужественный». В святцах имя известно в двух вариантах: Арсений (более распространённый, через «е») и Арсентий (с характерным для русской народной традиции суффиксом -тий, как, например, в имени Лаврентий или Дементий). Фамилия Арсентьев/Арсентиева фиксирует именно этот, второй вариант произношения.

Словообразовательная модель здесь проста и типична для русских фамилий: основа имени (Арсентий) + притяжательный суффикс -ев. Ударение, скорее всего, падает на второй слог: Арсе́нтиева, хотя в просторечии возможен и вариант с ударением на «и» — Арсенти́ева. Суффикс -ев, а не -ов, указывает на то, что основа имени оканчивалась на мягкий согласный или йот.

В отличие от фамилий Арсеньев или Арсенин, которые могли произойти от того же корня, но через разные формы (Арсений или Арсеня), Арсентиева — результат прямого использования полной, «официальной» формы имени. В дореволюционной России такие фамилии чаще встречались в среде духовенства и купечества, где стремились к точному следованию церковным канонам в записи имён. Однако не исключено, что предком был крестьянин, носивший имя Арсентий, которого в документах записали по отчеству — Арсентьев сын.

В географическом плане фамилия тяготеет к центральным и южным областям России, а также к Поволжью. Сравнительно редкая встречаемость объясняется тем, что имя Арсентий в народе чаще сокращали до Арсеня или Арсюши, давая начало фамилиям Арсенин, Арсенов, Арсюхин. Арсентиева же сохранила более книжное звучание.