Фамилия Черемашенцева — редкий пример, где географическая привязка спорит с прозвищной основой. Её ядро — слово «черемаш» или «черемаша», которое может восходить к диалектному названию черёмухи. В рязанских, тамбовских и воронежских говорах «черёмуха» нередко звучала как «черёма» или «черема», отсюда и «черемаш» — заросли черёмухи, черёмушник. Человек, живший у такого места или собиравший там ягоды, мог получить прозвище Черемаш, а его потомок — фамилию Черемашенцев.

Вторая версия, менее распространённая, но тоже возможная: основа «черемас» (с утратой конечного «с» в диалектах) — старинное слово, обозначавшее черемиса, то есть марийца. В документах XVI–XVII веков нередко писали «черемас» вместо «черемис»; прозвище Черемас давали выходцу из марийских земель. Однако в фамилии Черемашенцева суффикс -енцев указывает на образование от прозвища с окончанием -а (Черемаша), а не от этнонима на -ас, так что «черёмушная» версия выглядит убедительнее.

Формант -енцев — один из патронимических суффиксов, характерных для фамилий центральной России и Поволжья. Он означает «сын Черемашенца», то есть потомка Черемаши. Такая модель встречается реже, чем -ов или -ин, и часто указывает на недворянское происхождение: крестьяне, однодворцы, посадские люди. В переписных книгах XVII века подобные фамилии фиксировались в основном в южных уездах Московского государства.

География фамилии сегодня узкая. Черемашенцевы встречаются преимущественно в Воронежской, Тамбовской и Липецкой областях, что совпадает с ареалом говоров, где «черема» — черёмуха. Это дополнительный аргумент в пользу прозвища от растения, а не от этнонима.

Однокоренные фамилии — Черемашенко, Черемашников, Черемушкин — образованы от той же основы, но разными суффиксами. Черемашенцева стоит в ряду тех, где к прозвищу на -а добавили сначала -ец, а потом -ев, что делает словообразовательную цепочку длиннее и фамилию — более узнаваемой среди однотипных.