Фамилия Доксонова — женская форма от мужской фамилии Доксонов или Доксон. Она образована по самой распространённой в русском языке модели: к основе на согласный добавили суффикс -ов (в мужском варианте) и окончание -а (в женском). Такая модель типична для фамилий, которые фиксировали принадлежность к главе семьи: Доксонова — «жена» или «дочь» Доксонова.

Корень фамилии — Доксон — скорее всего, восходит к каноническому имени Докс (или Докса). В православных святцах есть имя Докса (от греческого dóxa — «слава»). В просторечии, особенно в крестьянской среде, полные церковные формы часто усекали: Докса превращалось в Докс, а затем добавлялся суффикс -он, характерный для уменьшительных или обиходных вариантов (сравните: Савва — Саввон, Филипп — Филиппон). Таким образом, Доксон — это разговорная форма крестильного имени Докса, а фамилия Доксонов/Доксонова означает «потомок Доксона».

Другая, менее вероятная версия, связывает фамилию с прозвищем Докса. В южнорусских говорах «докса» могли называть бойкого, ловкого человека (от слова «доксать» — уметь, ловчить). Однако в этом случае фамилия была бы редкой и локальной, а имя Докса встречается в святцах, что делает «именную» версию более надёжной.

Географически фамилия Доксонова крайне редкая и не имеет широкого ареала. Она могла возникнуть в среде духовенства или крестьян центральной России. В отличие от фамилий на -ский, которые часто указывают на географическое происхождение, Доксонова — типично патронимическая, то есть образованная от имени предка. Встречаются также варианты написания с одной «с» (Доконова), но они, скорее всего, результат ошибки переписчиков или упрощения при оформлении документов.

Из-за редкости фамилии её носители, вероятно, происходят из одной или нескольких родственных семей. В дореволюционной России такие фамилии часто получали крестьяне после отмены крепостного права, когда нужно было закрепить за семьёй постоянное родовое имя.