Фамилия Косенцов образована от прозвища или нецерковного имени Косенец. В основе лежит прилагательное «косой» — в древнерусском языке это слово имело несколько значений: кривой, одноглазый, а также недоброжелательный или своенравный. Человек, получивший прозвище Косенец, мог быть действительно косоглазым, хромым (от «коситься» в значении «идти вкривь») или обладать упрямым, нелюдимым характером.

Суффикс -ец в основе указывает на носителя признака: Косенец — тот, кто кос. Это типичная модель для прозвищ, которые позже становились фамилиями. А окончание -ов — притяжательный суффикс, означающий «сын Косенца», то есть потомок этого человека. Фамилия закрепилась в форме Косенцов, а не Косенцев, что говорит о твердом произношении суффикса в говорах — скорее всего, южнорусских или центральных.

Встречается она преимущественно в регионах бывшей Орловской, Курской и Воронежской губерний. Там же распространены однокоренные фамилии Косенков, Косенко, Косинцев. Все они восходят к одной основе, но различаются суффиксами: -ов, -ев, -ин, -ко — в зависимости от местных словообразовательных традиций. Косенцов — одна из самых редких форм в этом ряду.

Сословной принадлежности у фамилии нет: её могли носить и крестьяне, и мещане, и служилые люди. В документах XVII–XVIII веков встречаются записи о Косенцовых среди однодворцев — особой категории южнорусского населения, сочетавшей черты крестьян и мелких землевладельцев. Но это не значит, что все носители фамилии из однодворцев: фамилия просто бытовала в той среде, где прозвища легко переходили в наследственные именования.