Фамилия Космаенко образована по распространённой украинской модели с суффиксом -енко. Этот суффикс в XVI–XVIII веках в Поднепровье и Слобожанщине означал «сын» или «потомок»: Космаенко — буквально «сын Косма́я». В основе лежит прозвище Космай, которое, скорее всего, восходит к прилагательному «косматый» — лохматый, с густыми и спутанными волосами. Так на Руси могли назвать человека с неопрятной шевелюрой, либо, в переносном смысле, — медлительного или угрюмого, «лохматого» нравом.

Менее вероятна, но не исключена связь с крестильным именем Косма (от греческого «космос» — порядок, украшение; в русской традиции — Кузьма). В этом случае Космай — народная форма имени Косма, а Космаенко — «потомок Кузьмы». Однако фонетика говорит против: от имени Кузьма стандартные фамилии — Кузьмин, Кузьменко, реже Козьмин. Форма «Космай» прямо указывает на прозвище, а не на имя.

Географически фамилия тяготеет к центральным и восточным областям Украины: Черкасская, Полтавская, Сумская области. В России она редка и встречается там, куда в XIX–XX веках переселялись украинские крестьяне — на Кубань, в Ростовскую область, на юг Сибири. По сословной принадлежности предки Космаенко — почти наверняка казаки или крестьяне; дворянских родов с такой фамилией в исторических документах не зафиксировано.

Однокоренные фамилии — Косматый, Космачёв, Косматов — сохранили прозвищную основу без патронимического суффикса. Космаенко стоит в этом ряду особняком: суффикс -енко «удлиняет» прозвище, превращая его в родовое имя, и делает фамилию однозначно украинской по происхождению.