Фамилия Касенова образована от мужского имени Касен — так в таджикской и некоторых других тюркских средах звучит арабское имя Касым (قاسم). Его корень «касама» означает «делить, распределять», а полный смысл имени — «делящийся, раздающий», то есть щедрый человек. Имя было популярно в исламском мире, в том числе у народов Средней Азии и Поволжья, поэтому фамилия Касенова встречается у таджиков, казахов, узбеков и татар.

По словообразовательной модели фамилия женского рода (в мужском варианте — Касенов). Суффикс -ов указывает на русскую патронимическую форму, которая закрепилась в документах Российской империи и СССР для многих нерусских народов: от имени отца (Касен) образовывали фамилию для его детей. В таджикской среде исконная форма звучала бы как Касензода или Касени, но при русификации через суффикс -ов фамилия стала привычной для русского уха.

Географически фамилия Касенова чаще всего фиксируется в Таджикистане, Узбекистане, а также среди татарского и казахского населения. В России её носители живут преимущественно в Оренбургской, Астраханской областях и Татарстане — регионах, где исторически сильны связи со Средней Азией.

Процесс формирования фамилий у народов Средней Азии шёл неравномерно. У оседлых таджиков фамилии в современном виде начали закрепляться только в конце XIX — начале XX века, при советской паспортизации. Поэтому точное место и время возникновения конкретной ветви Касеновых можно установить лишь по архивным записям или генеалогическому древу.

В написании фамилии встречается вариант «Касенова» (через «е») и реже «Касынова» (через «ы»), что отражает разное произношение исходного имени в диалектах. Оба варианта имеют один корень — арабское «касым», но второй ближе к литературной арабской форме.