Фамилия Сапенова — женская форма фамилии Сапенов. Её основа — прозвище или неканоническое имя Сапен, которое, скорее всего, образовано от тюркского корня «сап» — «рукоятка, черенок» или «сап» в значении «чистый, отборный». В тюркских языках слово «сап» также могло означать «стебель», «стержень» или «основа». Соответственно, Сапеном в народе могли прозвать человека сухощавого, прямого как прут, либо мастера, делавшего рукоятки для инструментов.

Менее вероятная, но встречающаяся версия связывает фамилию с диалектным русским глаголом «сапеть» — тяжело дышать, сопеть. В этом случае прозвище Сапень (с мягким знаком на конце) дали бы человеку с тяжёлым дыханием. Однако форма Сапен (без мягкого знака) и суффикс -ов указывают скорее на тюркское происхождение: в русских фамилиях от глаголов чаще встречается суффикс -ин (Сапетин, Сапунов).

Географически фамилия Сапеновы встречается в Поволжье и на Южном Урале — в регионах, где веками соседствовали русские и тюркские народы (татары, башкиры, казахи). Многие носители фамилии — потомки крещёных татар или русских, взявших прозвище от соседей. Сословно предки Сапеновых могли быть как крестьянами, так и ремесленниками: плотниками, бондарями, кузнецами — людьми, чья работа была связана с деревом и металлом, с изготовлением топорищ, ножей, косовищ.

Суффикс -ов указывает на типичную русскую патронимическую модель: Сапенов — «сын Сапена». В документах XVII–XIX веков фамилия могла писаться через «а» — Сапанов (от тюркского «сапан» — «плуг»), но форма с «е» устойчивее и древнее. Встречается также вариант Сапёнов с буквой «ё», который в советских паспортах часто заменяли на «е», что стирало ударение — ударение в исходной форме почти всегда падает на первый слог: Са́пенов.