Фамилия Поликсенов — редкий пример фамилии, образованной от полного женского имени, а не от мужского. В основе лежит имя Поликсена (греч. Πολυξένη — «многогостеприимная» или «принимающая многих гостей»). В древнегреческой мифологии так звали дочь царя Приама и Гекубы, известную по трагедиям Еврипида и Софокла.

Имя Поликсена изредка бытовало в русской среде, чаще всего в купеческих и духовных семьях, где сохранялась традиция давать греческие имена по святцам. В православном календаре есть святая мученица Поликсена, поэтому имя не воспринималось как чуждое. Фамилия Поликсенов образована по стандартной патронимической модели: к основе женского имени добавили суффикс -ов, что буквально означает «сын Поликсены». Обычно такую фамилию получал ребёнок, чья мать звалась Поликсеной; в крестьянской среде это могло указывать на то, что мать была вдовой или играла главную роль в хозяйстве.

В отличие от фамилий на -ин (типа Поликсенин), которые тоже образуются от женских имён, форма на -ов встречается реже и могла закрепиться в тех регионах, где преобладала «овская» модель фамилеобразования — например, в северных и центральных губерниях России. Встречаются и однокоренные варианты: Поликсенов, Поликсенин, а также просто Поликсен (без суффикса) — такие фамилии могли дать в духовных училищах, где семинаристам иногда присваивали фамилии по имени матери или почитаемой святой.

Фамилия крайне редкая. В дореволюционных адрес-календарях и метрических книгах носители Поликсеновы встречаются спорадически, в основном в центральных губерниях и в Сибири, куда переселенцы приносили свои прозвания. Сейчас фамилия почти исчезла: по данным современных баз, в России её носят единицы. Искать корни стоит в метриках XIX века, особенно в записях о браке и рождении — именно там можно найти женщину с именем Поликсена, от которой пошла фамилия.