Фамилия Демисенова — женская форма от мужской Демисенов, и её происхождение неочевидно. Скорее всего, в основе лежит имя, прозвище или искажённое слово, а не прямое указание на занятие предка.

Самая вероятная версия — фонетическое изменение фамилии, образованной от крестильного имени Демьян (из латинского Damianus, «посвящённый богине Дамии»). В русских говорах имя Демьян нередко произносили как «Демьян» или «Демис» — с заменой «ья» на «и» и твёрдым «с». От уменьшительной формы Демиса (или Демеса) с помощью патронимического суффикса -ов и появилась фамилия Демисенов. Суффикс -ен- в этом случае мог возникнуть под влиянием других отчеств на -енко или -енин, либо как вариант адаптации исходной основы.

Менее вероятно, но возможно, что фамилия восходит к тюркскому корню. В казахском и татарском языках есть слово «деміс» (в значении «дыхание», «дух») или «демесі» — форма притяжательности. Если предок носителя фамилии был из народов Поволжья или Средней Азии, прозвище Демис могло означать «живой», «полный сил» или указывать на шамана, знахаря (связанного с дыханием, духами). Однако для русской фамилии Демисенова такой путь менее типичен, и он требует дополнительных генеалогических подтверждений.

Географически фамилия редкая. Встречается преимущественно в Оренбургской области, Башкортостане и некоторых районах Казахстана с русскоязычным населением. Это косвенно указывает на смешанные корни: возможно, предки были русскими переселенцами, которые контактировали с тюркскими народами, или же носители фамилии — потомки крещёных татар.

Написание фамилии устойчиво — через «е» в первом слоге. Варианты «Демисенов» без суффикса -ен- не зафиксированы в массовых списках. Ударение обычно падает на третий слог: Демисéнова.

Коротко: скорее всего, фамилия образована от имени Демьян через народную форму Демиса. Тюркская версия возможна, но менее обоснована без конкретной семейной истории.