Фамилия Колосенцева — женская форма, в основе которой лежит мужская фамилия Колосенцев. А она, в свою очередь, образована от прозвища или мирского имени Колос. В русской традиции так могли назвать человека с очень светлыми, «соломенными» волосами (цвета колоса) или же высокого, худощавого — по ассоциации со стеблем злака. Реже прозвище могло относиться к крестьянину, который занимался уборкой хлеба или был известен как хороший земледелец.

У фамилии необычный суффиксный ряд. Стандартная модель для русских фамилий — Колосов или Колосин. Но здесь мы видим суффикс -енц-, который указывает на происхождение из определённой местности. Фамилии на -енцев (как и на -енцов) характерны для южных и центральных областей России, а также для территорий, где смешивались русские и украинские говоры. Суффикс -ец в основе прозвища (Колосец) мог означать «выходец из местности, где много колосьев» или «человек, похожий на колос». Таким образом, Колосенцев — это не просто «сын Колоса», а «сын Колосца», то есть носителя уменьшительной или локативной формы прозвища.

Менее вероятная, но допустимая версия связывает фамилию с географическим названием. В России есть несколько деревень с названием Колосенки или Колосово, и житель такой деревни мог получить прозвище Колосенец. Тогда фамилия Колосенцев буквально означает «принадлежащий к семье выходца из Колосенок».

В написании фамилии возможна вариативность: в старых документах встречается как Колосенцев, так и Колосинцев (с переходом е→и в безударном положении), но современная норма закрепила форму через букву «е». Фамилия редкая, не входит в списки ста самых распространённых, что говорит о её узкой локальной привязке — скорее всего, предки носителей жили компактно в одном или нескольких соседних уездах.