Фамилия Осенцев образована от прозвища или нецерковного имени Осенец. В основе лежит слово «осень» или «осенний». Такие имена по времени года (Весна, Лето, Осень) встречались на Руси вплоть до XVII века, особенно в крестьянской и посадской среде. Их давали по обстоятельствам рождения: если ребёнок появился на свет осенью, его могли назвать Осенем или Осенцом. Уменьшительная форма Осенец — это «маленький, родившийся осенью» или просто ласковое прозвище.

Суффикс -ев в фамилии указывает на принадлежность: «чей?» — Осенцев, то есть сын или потомок Осенца. Модель типична для русских фамилий, возникших от имён и прозвищ, оканчивающихся на -ец. Аналогично образованы Кузнецов, Жильцов, Молодцов, но в случае с Осенцевым основа не профессиональная, а календарно-природная.

Менее вероятная, но возможная версия связывает фамилию с прозвищем по месту жительства. В некоторых говорах «осенцем» могли называть человека, который живёт на осенней стороне — то есть на западном склоне, куда солнце заглядывает осенью, или на поле, оставленном под пар после осенней вспашки. Однако эта гипотеза слабее: нет устойчивого диалектного значения «осенец» в значении «житель определённого места», и объяснение через время рождения остаётся основным.

Фамилия редкая. По данным переписей и телефонных справочников, Осенцевы встречаются в основном в центральных и северных областях России — в Костромской, Вологодской, Кировской областях, а также на Урале. География подкрепляет версию о крестьянском происхождении: именно в этих регионах была сильна традиция нецерковных имён.

В документах фамилия фиксируется с XVIII века. Например, в ревизских сказках Вятской губернии за 1782 год упоминаются крестьяне Осенцевы из деревни Куриловской. Это один из немногих письменных следов, по которому можно судить, что фамилия не придумана в XX веке, а имеет реальную историческую глубину.