Фамилия Мисенова — женская форма, а её мужской вариант — Мисенов. В основе фамилии лежит мужское личное имя или прозвище Мисен, которое могло образоваться от разных корней. Самая вероятная версия — происхождение от крестильного имени Моисей, которое в народной речи часто сокращали до Мосей, Мось, а в некоторых говорах — до Мисей или Мисен. Суффикс -ен- в данном случае не фамильный, а словообразовательный: он входил в основу имени (Мисен — уменьшительное от Мисей), а уже к нему добавился стандартный патронимический суффикс -ов, указывающий на принадлежность: «сын Мисена».

Менее распространённая, но возможная версия — связь с диалектным словом «мисень» или «мисёнок», которое в некоторых регионах России означало «маленький, невзрачный человек» или «заморышек». Тогда прозвище Мисен могло даваться человеку невысокого роста или хиловатому телосложению, а фамилия закрепилась за его потомками.

Географически фамилия Мисенов встречается в основном в южных и центральных областях России, а также в Поволжье, что подтверждает связь с народными формами имени Моисей, популярными в крестьянской среде. В дореволюционных документах фамилия могла писаться через «я» — Мисеновъ, но ударение, скорее всего, падает на второй слог: Ми́сенов.

Встречается и родственная фамилия Мисенёв — с суффиксом -ёв, который образуется от основ на мягкий согласный. Если предок в документах значился как Мисенёв, а позже написание упростилось до Мисенов, то это один из вариантов эволюции фамилии под влиянием канцелярской записи. Точных данных о дворянском происхождении Мисеновых нет — фамилия типично крестьянская или мещанская, и её носители, скорее всего, были простыми людьми, чей родоначальник получил прозвище по имени или внешности.