Фамилия Есентемиров образована от составного тюркского имени Есентемир. Её основа — мужское имя, которое соединяет два корня со значением «благополучный, здоровый» (есен) и «железо» (темир). Такие двухчастные имена были распространены у тюркских народов, особенно в казахской, каракалпакской и ногайской среде.

Вторая часть имени — Темир — встречается во многих тюркских фамилиях (Темиров, Темирханов, Темирбулатов). Железо в традиционной культуре символизировало крепость, выносливость и защиту от зла. Имя Есентемир могли дать мальчику с пожеланием физической силы и долгой жизни — как «здоровое железо», которому не страшны беды. По сути, это имя-оберег: считалось, что такой набор звуков и смыслов отводит от ребёнка болезни и слабость.

Фамилия образована по русской модели с суффиксом -ов, который присоединился к основе Есентемир. Это типичный способ русификации тюркских имён в XIX–XX веках, когда при документальной записи к имени отца добавляли русское окончание. Встречается также вариант Есентемиров с ударением на предпоследний слог, но в большинстве говоров ударение падает на последний слог — как и у многих фамилий на -ов.

Точных упоминаний о сословной принадлежности первых носителей нет, но, судя по географии фамилии, её чаще всего носили казахи, реже — татары и башкиры. В дореволюционных списках фамилия почти не встречается, что говорит о её сравнительно позднем закреплении — скорее всего, в начале XX века, при массовой паспортизации.