Фамилия Павлюсенко — типичный пример украинской фамилии, образованной по самой распространённой в этой среде модели. В её основе лежит каноническое имя Павел (от лат. paulus — «малый»), которое в украинской народной традиции приобрело форму Павлюсь или Павлюс. Суффикс -енко в украинском языке играет роль патронимического показателя, то есть буквально означает «сын» или «потомок». Таким образом, Павлюсенко — это «сын Павлюся», то есть потомок человека, которого в быту звали уменьшительно-ласкательным именем Павлюсь.

Важная деталь, отличающая эту фамилию от множества других на -енко, — наличие в суффиксальной части буквы «с». Обычно фамилии от имени Павел образуются через форму Павлюк (Павлюченко) или Павло (Павленко). Форма Павлюс — более редкая, она могла возникнуть либо под влиянием польского языка (Paweł → Pawluś), либо как самостоятельный украинский вариант с суффиксом -ус/-юс, который придавал имени оттенок ласкательности или даже некоторой шутливости. Соответственно, фамилия Павлюсенко указывает на предка, которого звали именно Павлюсь, а не Павлюк или Павло.

Географически фамилия тяготеет к центральным и западным регионам Украины, особенно к Подолью и Волыни, где были сильны польские языковые влияния. В России фамилия встречается реже, и её носители — почти всегда потомки переселенцев с Украины. Сословной привязки у фамилии нет: её могли носить и казаки, и крестьяне, и мещане, поскольку имя Павел было одним из самых популярных в православных святцах.

В написании фамилии возможна вариативность: изредка встречается вариант Павлюсенко (с буквой «ё»), но он ошибочен, так как ударение в фамилии падает на второй слог — Павлю́сенко. В русской среде фамилию иногда склоняют по мужскому роду (Павлюсенко — Павлюсенко), хотя по правилам украинские фамилии на -енко не склоняются в обоих родах.