Фамилия Семионов — один из тех случаев, где написание многое говорит о происхождении. В большинстве похожих фамилий мы видим окончание «-ов»: Семёнов, Семенов. Форма «Семионов» с буквой «и» в корне — не ошибка и не опечатка, а признак церковнославянского, книжного влияния. Такую фамилию могли получить в среде духовенства, где имена часто записывали по-церковнославянски (Семион вместо Семён). Второй возможный путь — бытование фамилии среди староверов, которые сознательно придерживались дореформенного написания имени.

Основа фамилии — каноническое имя Семион, русская форма древнееврейского имени Шимон («услышанный Богом»). В православных святцах это имя писалось именно через «и», в отличие от разговорного «Семён». Суффикс «-ов» указывает на принадлежность: Семионов буквально значит «сын Семиона». По модели образования фамилия типична для русских патронимических фамилий XVI–XVII веков, но её редкое написание сужает круг возможных носителей.

Географически фамилия Семионов встречается реже, чем Семёнов, и тяготеет к северным и центральным регионам России, где сильны были старообрядческие традиции. Встречается она и в среде потомков церковнослужителей, где имя записывали строго по богослужебным книгам. В дворянских родословных эта фамилия почти не фиксируется — её носителями были в основном крестьяне, мещане и священники.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Семионов стоит в одном ряду с Семионенко (украинская модель), Семионович (белорусско-польская) и редкой формой Семионский. Но именно вариант с «и» в корне и «-ов» на конце — чисто русская особенность, закрепившаяся в письменных источниках. В современных документах фамилия может встречаться в двух написаниях: через «ё» (Семёнов) и через «и» (Семионов), причём носители второго варианта нередко сталкиваются с путаницей при оформлении бумаг.