Фамилия Петрусенкова — женская форма от Петрусенков, и её разбор стоит начать с суффикса, который сразу выдаёт географию. Суффикс -енк- в фамилиях — верный признак украинского происхождения, точнее, восточноукраинского (Левобережье, Слобожанщина) или южнорусского влияния. В отличие от великорусских фамилий на -ов/-ев или -ин, модель на -енко (Петрусенко → Петрусенков) означает не «сын Петруся», а «маленький Петрусь» или «потомок Петруся». Со временем, при русификации фамилий, к украинскому -енко часто добавляли русский суффикс -ов, чтобы вписать её в привычную для паспортного стола форму. Так Петрусенко превратилось в Петрусенков, а для женщины — Петрусенкова.

В основе фамилии лежит имя Петрусь — это украинская народная форма канонического имени Пётр. Имя Пётр (от греческого petros — «камень») было одним из самых распространённых в православной среде, а его уменьшительные варианты — Петрусь, Петрик, Петрушка — дали начало десяткам фамилий. Петрусенков буквально означает «потомок Петруся». Если смотреть шире, то однокоренные фамилии — Петренко, Петриченко, Петрушкевич — все восходят к тому же имени, но разными суффиксами указывают на степень родства или региональные диалектные особенности.

Географически фамилия Петрусенков (и Петрусенкова) тяготеет к югу России и востоку Украины. В XIX веке носители такой фамилии чаще всего были крестьянами или мещанами из Харьковской, Полтавской, Курской губерний. Редкая встречаемость фамилии (она не входит в сотни самых частых) говорит о том, что родоначальник был не настолько многочислен, чтобы фамилия «расползлась» по всей стране, либо фамилия возникла позже, в эпоху массовой паспортизации. Спорных версий у Петрусенковой немного: иногда её путают с польской фамилией Петрусевич, но польский суффикс -евич указывает на иную традицию, а украинский -енко — на более тесную связь с крестьянским бытом.

В написании встречается вариант с одной «с» — Петрусенков, но двойная «с» (Петруссенков) — ошибка, возникшая под влиянием фамилий типа Руссов или от фамилии Руссен, что этимологически неверно. Правильная основа — Петрусь, поэтому корень «Петрус-» пишется с одной «с».