Фамилия Небесенко образована по распространённой восточнославянской модели с суффиксом -енко, типичным для украинской ономастики. Суффикс -енко (а также -ко, -ченко) исторически указывал на принадлежность или происхождение: Небесенко — буквально «сын Небеса» или «потомок того, кого прозвали Небес». Основой послужило прозвище или некалендарное имя Небес.

Прямое значение корня «небо» здесь, скорее всего, не связано с небом как космическим объектом. В славянской антропонимии прозвища, образованные от абстрактных или возвышенных понятий, часто давались с иронией или контрастом. Человек по прозвищу Небес мог быть мечтателем, ротозеем, смотреть «в небо» вместо дела, или, напротив, отличаться высоким ростом и статью. Реже — быть священнослужителем или человеком, получившим прозвище за благочестие.

Вторая, менее вероятная версия связывает фамилию с географическим названием. В украинской и польской топонимике встречаются села и урочища с корнем «небес-» (например, Небеска, Небесне). В этом случае фамилия могла указывать на выходца из такого места, но модель -енко для топонимических фамилий нетипична (чаще используют -ский/-цкий), поэтому версия с прозвищем выглядит убедительнее.

Фамилия Небесенко фиксируется преимущественно в центральных и восточных областях Украины, а также среди потомков украинских переселенцев на Кубани и в Поволжье. В России она встречается реже, но не является уникальной. Варианты написания — Небесенко, реже Небесько (с мягким знаком) — отражают диалектные особенности произношения.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Небесный, Небесков) показывает, что модель -енко закрепилась именно в украинской среде, тогда как Небесный — польская или белорусская форма с суффиксом прилагательного. Таким образом, фамилия Небесенко — типичный пример украинской фамилии-патронима от прозвища, которое, скорее всего, описывало внешность или характер предка.