Фамилия Белсенбаев — редкий случай, когда основа не поддаётся однозначной славянской этимологии. В русском ономастиконе модель на «-баев» почти всегда указывает на тюркское происхождение. Суффикс «-ев» (фонетический вариант «-ов» после мягких и шипящих) в данной фамилии вторичен: он присоединился к тюркской основе уже при русификации, чтобы вписать фамилию в привычную русскую парадигму склонения.

Ядро фамилии — «Белсенбай». Это сложное имя-пожелание, типичное для казахской и других тюркских антропонимических традиций. Первая часть «белсен» (в казахском «белсенді» — активный, деятельный, энергичный) восходит к арабскому слову «басаля» (храбрость, отвага), прошедшему через тюркскую фонетику. Вторая часть «бай» — древний тюркский титул, означающий «богатый», «господин», «хозяин». Таким образом, Белсенбай — это имя со значением «деятельный богач» или «активный господин», которое давали мальчику с пожеланием энергичности, успеха и материального достатка.

Географически фамилия тяготеет к Казахстану, особенно к западным и южным регионам, где распространены имена с компонентом «белсен». Встречается она и среди башкир, а также у татар, но реже. В русских документах XIX — начала XX века такие фамилии фиксировались у кочевого и полукочевого населения, которое при переходе к оседлости и получении паспортов записывало имя отца как родовое прозвание.

С точки зрения социального статуса, предки носителя фамилии Белсенбаев вряд ли были крепостными в классическом русском понимании. В казахской степи и Башкирии фамилии по отцу чаще всего получали представители родовой знати, зажиточные скотоводы (баи) или уважаемые общинники. Имя «Белсенбай» как раз и подчёркивает, что основатель рода был человеком заметным, деятельным и, вероятно, состоятельным.

В написании фамилии возможны колебания: встречаются варианты Бельсенбаев (с мягким знаком, отражающим мягкое произношение «л» в некоторых говорах) и Белсинбаев (с заменой гласной в первом слоге на «и», что может быть следствием диалектного аканья или ошибки писаря). Однако форма с «е» — «Белсенбаев» — является нормативной и наиболее частотной.