Фамилия Байсенгирова — женская форма от мужской фамилии Байсенгиров, образованной по тюрко-монгольской модели, что сразу указывает на её восточное происхождение. Основа фамилии — составное личное имя Байсенгир, где первая часть «бай» в тюркских языках означает «богатый», «господин», «уважаемый человек», а вторая — «сенгир» (или «сенгер») восходит к монгольскому «сэнгир» — «светло-голубой», «лазурный». Таким образом, имя Байсенгир можно перевести как «богатый (или господин) с голубыми глазами» либо как метафорическое «светлый господин». Встречается также тюркское «сенгир» со значением «кремень», «твёрдый камень», что даёт вторую версию — «крепкий, как кремень богач».

Суффикс «-ов» в окончании фамилии — типичный русский патронимический формант, который добавили при оформлении фамилии в документах Российской империи. Это означает, что исходное имя Байсенгир бытовало в среде, где в XIX — начале XX века проводилась русификация фамилий: у казахов, башкир, татар или киргизов. Фамилия Байсенгирова, скорее всего, фиксировалась у кочевых или полукочевых народов, переходивших на оседлость, когда при переписях и воинском учёте к тюркскому имени добавляли русское окончание.

Географически фамилия чаще всего встречается в Казахстане, особенно в западных и южных областях, а также среди башкир и татар в Оренбуржье и Челябинской области. В дореволюционных метрических книгах и ревизских сказках можно найти варианты написания: Байсенгиров, Байсенгеров, Байсингиров — из-за неустойчивости гласной во втором слоге при передаче тюркского звучания кириллицей.

Редкость фамилии в том, что она сохранила архаичный монгольский компонент «сэнгир», который почти не встречается в современных тюркских фамилиях. Это указывает на возможные древние контакты между тюркскими и монгольскими племенами: предки носителей фамилии могли жить на границе степей, где смешивались языки и обычаи. В отличие от популярных фамилий на «-баев» или «-улы», Байсенгирова стоит особняком — её основа не повторяет типовые модели, а отсылает к конкретному прозвищу или имени, данному по внешности или характеру.