Фамилия Донсой — редкая, и её происхождение напрямую связано с географией. Скорее всего, перед нами фамилия-топоним, образованная от названия места. Основа «Дон» может указывать на реку Дон, но в сочетании с «сой» это маловероятно для центральной России. Гораздо правдоподобнее версия, что «Дон» здесь — часть тюркского или монгольского географического термина, означающего «река» или «вода», а «сой» — «овраг», «балка» или «русло» (в тюркских языках «сай», «сой»). Таким образом, Донсой могло быть названием конкретного урочища, речки или оврага в Средней Азии, на Кавказе или в Поволжье.

Фамилия не имеет русского суффикса (-ов, -ин, -ский), что указывает на её позднее оформление или на то, что она была записана в исходной тюркской форме. Носители фамилии Донсой могли быть выходцами из местности, называвшейся Донсой, и при переезде или при получении паспорта в XIX–XX веках за ними закрепили это прозвище как фамилию. Возможна и более простая версия: «Донсой» — это искажённое при переписи фамилии Донской, но для этого нет оснований, так как написание устойчиво и встречается именно в южных регионах бывшего СССР.

Встречаемость фамилии крайне низкая. В открытых базах данных она фиксируется в единичных случаях, преимущественно в Казахстане и Узбекистане, что подтверждает тюркские корни. Сословно предки, скорее всего, были крестьянами или казахами-кочевниками, чьё прозвище по месту жительства стало родовым именем. Попытки связать фамилию с испанским «дон» (господин) или английским «son» (сын) не выдерживают критики — это случайное внешнее сходство, не подкреплённое историей бытования фамилии.