Фамилия Черемисенко — яркий пример украинской модели фамильного словообразования. Суффикс -енко, характерный для центральных и левобережных областей Украины, указывает на происхождение фамилии от прозвища или имени отца: Черемиса → Черемисенко, то есть «сын Черемисы» или «потомок Черемисы». Такие фамилии активно формировались в XVI–XVIII веках, когда малороссийское казачество и крестьянство переходило к наследственным родовым именам.

Основа фамилии — черемис. Так в русских летописях и документах до начала XX века называли марийцев, финно-угорский народ Поволжья. Слово «черемис» (или «черемисин») было не только этнонимом, но и прозвищем, которое давали человеку, внешне или по поведению напоминавшему марийца: смуглому, темноволосому, либо выходцу с восточных земель. В украинской среде, где контакты с марийцами были редки, такое прозвище могло закрепиться за переселенцем с Волги или за человеком, побывавшим в тех краях.

Есть и альтернативная, менее вероятная версия: связь с диалектным глаголом «черемисить» — говорить невнятно, картавить, путать слова. Однако она не подкреплена серьёзными ономастическими источниками. Основной корень фамилии — именно этнический.

Географически фамилия Черемисенко тяготеет к восточной Украине: Черниговщина, Полтавщина, Слобожанщина. Это объясняется тем, что именно сюда в XVII–XVIII веках переселялись служилые люди и казаки из центральной России, среди которых могли быть и выходцы из марийских земель. Позже фамилия распространилась на Кубань и Дон.

Сословно Черемисенко — преимущественно казачья или крестьянская фамилия. В реестрах Войска Запорожского и списках черниговской шляхты такие окончания не редкость. Дворянского герба у неё не зафиксировано, что типично для украинских фамилий на -енко, возникших в низовых слоях населения.