Фамилия Марсунова — женская форма фамилии Марсунов. Её основа, скорее всего, связана с прозвищем или именем, а не с планетой Марс. В русской ономастике корень «Марс-» встречается редко и почти всегда имеет бытовое, а не астрономическое происхождение.

Наиболее правдоподобная версия — происхождение от неканонического имени Марсун. В старину так могли назвать человека, родившегося в марте, либо по созвучию с диалектным словом «марс» — так в некоторых говорах называли комара или мошку. Если прозвище Марсун дали за назойливость или мелкий рост, оно легко превратилось в фамилию. Суффикс «-ун» в русских прозвищах указывает на носителя характерного действия или свойства (говорун, крикун, бегун), так что Марсун — «тот, кто марсит», то есть докучает, как комар.

Вторая, менее вероятная гипотеза связывает фамилию с тюркским словом «марс» — «храбрый, смелый». В этом случае фамилия могла возникнуть в среде служилых татар или в регионах активных русско-тюркских контактов. Однако отсутствие широкого распространения фамилии в Поволжье делает эту версию слабее.

Фамилия Марсуновых — редкая, не входит в списки ста наиболее частых русских фамилий. Встречается преимущественно в центральных областях России и на Урале. По модели образования она относится к типичным русским фамилиям на «-ов», то есть указывает на принадлежность к роду Марсуна: «чей сын?» — Марсунов. Сословно такая фамилия могла принадлежать и крестьянам, и мещанам, так как прозвищная основа не отсылает к дворянскому или духовному званию.

В написании фамилии возможна путаница с ударением: если корень осмысляется как «марс», ударение падает на первый слог (Ма́рсунов), если как прозвище с суффиксом «-ун» — на последний (Марсуно́в). В современных справочниках чаще фиксируют ударение на «у» — Марсу́нов.