Фамилия Илюсенко звучит на украинский лад, и это первая подсказка. Суффикс -енко — один из самых распространённых в украинской ономастике, он образует фамилии по модели «чей?» или «чей сын?». В данном случае основа — имя Илюся.

Илюся — это уменьшительно-ласкательная форма от канонического имени Илья. В русском и украинском быту Илья превращался в Илюшу, Ильку, а в юго-западных говорах — в Илюсю. Суффикс -ус(я) или -юс(я) встречается в украинских и белорусских диалектах: так могли называть ребёнка или близкого человека (ср. Петруся, Ганнуся). Таким образом, Илюсенко — буквально «сын Илюси», то есть потомок человека, которого в семье или в деревне звали ласковым домашним именем.

Модель образования проста: имя Илюся + патронимический суффикс -енко. В XVII–XVIII веках такие фамилии закрепились за казаками и крестьянами на Левобережной Украине, в Слобожанщине и на юге России, куда переселялись украинцы. Фамилия Илюсенко недвусмысленно указывает на украинское происхождение, скорее всего из Полтавской, Черниговской или Харьковской губерний.

Интересно, что в русских говорах форма «Илюся» почти не встречается — там предпочли бы Илюшин или Ильин. Поэтому Илюсенко — яркий маркер украинской языковой среды. Никакой другой, более сложной этимологии у фамилии нет: она прозрачна и однозначно восходит к имени Илья через уменьшительную форму. Встречается она нечасто, что делает её локально привязанной к определённым регионам.