Фамилия Попосёмова — редкая, и её разбор требует внимания к неочевидным деталям. Первое, что бросается в глаза — необычное сочетание корней. В русской ономастике фамилии на -ов/-ев чаще всего образуются от прозвищ или имён, но здесь мы видим стык двух основ: «поп» и «сём» (или «сёма»). «Поп» — очевидный компонент, указывающий либо на связь предка с церковной средой (сын попа, человек, работающий у попа), либо на прозвище «Поп», которое могли дать набожному или, наоборот, слишком хитрому человеку. Вторая часть сложнее. «Сёма» — это уменьшительная форма имени Семён (от древнееврейского Шимон — «услышанный Богом»). Таким образом, основа «Попосём» — это сращение двух прозвищ или имени и прозвища: «поп» и «Сёма». Скорее всего, так называли человека, который был либо сыном попа по имени Семён, либо сам носил двойное уличное прозвище — «Поп Сёма» или «Попосём».

Суффикс -ов в женском варианте Попосёмова указывает на принадлежность: буквально «дочь (или жена) Попосёма». Модель образования типична для русских фамилий второй половины XVII–XIX веков, когда крестьяне и горожане массово получали фамилии по имени или прозвищу отца. Мужская форма — Попосёмов.

Географически фамилия почти не встречается в центральных областях России. Единичные случаи фиксации относятся к северным регионам (Архангельская, Вологодская губернии) и к Уралу. На Севере и в Поморье было распространено бытовое двусоставное прозвище, когда к имени или профессии добавляли вторую часть для уточнения — «Иван-поп», «Поп-Семён». Со временем такое прозвище могло слиться в одно слово. Кроме того, в северных говорах «сёма» могло означать не только Семёна, но и просто «свой, домашний» (от «сёмья»), что добавляет ещё одну версию: Попосём — «поп из своей семьи, местный поп», а не пришлый.

Однокоренных фамилий, где «поп» соединяется с другим именем, почти нет. Это делает Попосёмова уникальной в плане словообразования. В отличие от массовых Поповых, Поповичей или Поповых-Семёновых, эта фамилия застыла в виде сложного прозвища, которое уже в XVIII веке перестало быть понятным без расшифровки. Носитель фамилии может с высокой вероятностью проследить корни в северных или уральских деревнях, где его предок, вероятно, был либо церковнослужителем, либо человеком, чью профессию или характер обозначили через двойное прозвище.