Фамилия Мерзосев — редкий случай, когда корень слова отсылает не к имени или профессии, а к яркой физической характеристике. В её основе лежит прозвище Мерзос. Оно образовано от глагола «мерзнуть» или прилагательного «мёрзлый». Так в северных и центральных говорах могли назвать зябкого, постоянно мёрзнущего человека, либо, напротив, того, кто казался холодным, неприветливым, «морозным» по характеру. Вторая часть слова — «-ос» — это не суффикс в привычном смысле, а скорее остаток древнего окончания или огласовка, которая помогала произношению. Сравните с похожими по строению фамилиями: Мерзляков (от «мерзляк»), Мерзликин. Однако «Мерзос» звучит архаичнее: в старых псковских и новгородских говорах слово «мерзос» могло означать не просто замёрзшего, а застывшего в ступоре или окоченевшего от холода человека.

Суффикс «-ев» указывает на принадлежность: Мерзосев буквально значит «сын Мерзоса». Такая модель типична для русских фамилий, образованных от прозвищ с мягкой или шипящей основой. Если бы прозвище звучало как Мерзосов, это предполагало бы основу на твёрдый согласный, но здесь сохранилось древнее смягчение.

Географически фамилия тяготеет к северо-западу России. В переписях XVII–XVIII веков прозвища с корнем «мерз-» фиксировались в Архангельской, Вологодской и Вятской губерниях — там, где долгая зима делала холод главной бытовой проблемой. Мерзосевы, скорее всего, потомки крестьян или посадских людей из тех краёв. Сословных перегородок фамилия не знала: прозвище по физической особенности давали и крепостным, и свободным, и даже мелким служилым людям.

Встречаются единичные случаи, где «Мерзос» могло быть искажением другого прозвища — например, Мерзляк или Мерзлый. Но это маловероятно: слишком разная огласовка. Правдоподобнее считать, что фамилия сохранила именно ту форму, которая бытовала в живой речи до закрепления в документах. Сейчас Мерзосевы — большая редкость. В современных базах данных фамилия почти не встречается, что делает её настоящей ономастической редкостью: у неё нет громких носителей, зато есть чёткая и небанальная история происхождения.