Фамилия Дмитрусенко образована от просторечной формы Дмитруся церковного имени Дмитрий (в церковном варианте — Димитрий). Имя это греческого происхождения и переводится как «принадлежащий Деметре» — древнегреческой богине земледелия и плодородия.

По своей словообразовательной модели Дмитрусенко — типичная украинская фамилия с патронимическим суффиксом -енко, который в XVI–XVII веках был распространён в Поднепровье и на Левобережной Украине. Суффикс -енко буквально означал «сын» или «потомок», поэтому Дмитрусенко понималось как «сын Дмитруси». В отличие от русских фамилий на -ов/-ев или -ин, украинские фамилии на -енко долгое время оставались полуфамилиями — их могли менять при смене поколения: сын Дмитруси становился Дмитрусенком, а его внук, по идее, должен был получить новую фамилию от отца. Однако к XIX веку такие формы закрепились как наследственные.

Форма Дмитруся — не единственная народная производная от Дмитрия. В украинской и южнорусской традиции бытовали десятки вариантов: Дмитро, Дмитрук, Дмитраш, Дмитрик. От них пошли фамилии Дмитрук, Дмитришин, Дмитрашко, Дмитренко. Дмитрусенко стоит в этом ряду особняком — из-за суффикса -ус-, который встречается реже, чем -ук- или -ик-. Этот суффикс мог появляться под влиянием польского языка, где уменьшительные формы на -uś (Дмитрусь) были обычны.

Географически фамилия Дмитрусенко чаще всего встречается в центральных и восточных областях Украины, а также в приграничных с Украиной регионах России, куда она попала с переселенцами в XVIII–XIX веках. В отличие от более массовых Дмитренко или Дмитрука, Дмитрусенко — фамилия менее частая, что может указывать на локальное происхождение от конкретного рода в одном селе или волости.

Если говорить о социальном контексте, то носители фамилии Дмитрусенко в XVIII–XIX веках относились преимущественно к крестьянскому или казачьему сословию. Фамилия не встречается в списках дворянских родов, что подтверждает её «народное» происхождение: она закрепилась среди простых людей, а не в среде шляхты.