Фамилия Дюсенбай — редкий случай в русском ономастиконе, когда фамилия почти без изменений пришла из казахского личного имени. Её основа — мужское имя Дюсенбай, которое до сих пор распространено у казахов. Разобрать её по привычной схеме «русский корень + суффикс» не получится, потому что она тюркская по происхождению и не переоформлялась русскими фамильными суффиксами вроде -ов или -ин. Это так называемая «нетиповая» фамилия для русского языка: её просто записали в документах так, как слышали.

Имя Дюсенбай составное. Первая часть — «дюсен» (точнее, «дүйсен» или «дүйсенбі») означает «понедельник». У тюркских народов было распространено давать имена по дню недели, в который родился ребёнок. Вторая часть — «бай» — в казахском языке значит «богатый», «хозяин», «господин». Раньше это был титул состоятельного человека, но в именах он превратился в пожелательный компонент: «богатый как понедельник» или «богатство, рождённое в понедельник». Звучит необычно для русского уха, но для казахской традиции это обычная практика — соединять день недели с пожеланием достатка.

Фамилия Дюсенбай — по сути, застывшее имя. Она не указывает на род занятий или прозвище предка, а прямо называет его по имени. В русской среде такие фамилии появлялись в основном при переписях и паспортизации казахского населения в XIX–XX веках, когда фамилией записывали отца или деда по имени. Поэтому носители фамилии Дюсенбай — почти наверняка потомки казахов, и фамилия эта плотно привязана к Казахстану, реже встречается в соседних регионах России (Астраханская, Оренбургская области) и в Средней Азии.

С лингвистической точки зрения интересно, что фамилия сохранила полную форму имени без редукции и усечения. В русском языке её часто склоняют по образцу существительных мужского рода на -й (как «Андрей»), хотя в казахском оригинале она не склоняется вовсе. Из-за редкости фамилии в русскоязычных базах данных её иногда путают с фамилией Дюсенбаев — а это уже вариант с русским суффиксом -ев, который означает «сын Дюсенбая». Сама же форма Дюсенбай — более архаичная, прямая передача имени в качестве фамильного прозвания.