Фамилия Серафименко — яркий пример украинской модели образования фамилий на -енко. В отличие от русских патронимов на -ов/-ев, которые застывали в форме притяжательного прилагательного («чей?»), суффикс -енко в украинской традиции означал «маленький» или «сын кого-то». То есть Серафименко — буквально «сын Серафима». Основа фамилии — редкое для славянского мира каноническое имя Серафим, которое пришло из древнееврейского через греческий язык. В Библии серафимы — высшие ангельские существа, название происходит от слова «сараф» — «сжигать, пламенеть». Имя Серафим было сугубо монашеским, а в крестьянской и казацкой среде стало появляться только в XVIII–XIX веках, когда синод разрешил давать «редкие» имена в честь святых. Поэтому фамилия Серафименко — относительно молодая, её массовое возникновение приходится на вторую половину XIX века, когда крестьянам массово присваивали фамилии по имени отца.

Географически фамилия тяготеет к левобережной Украине и южным регионам России — территориям бывшей Слобожанщины и Новороссии. Встречается в Черниговской, Полтавской, Харьковской, а также в Ростовской областях. В центральной России и на севере эта фамилия почти не фиксируется — там предпочли бы форму Серафимов. Интересно, что украинский суффикс -енко присоединился к церковному имени, а не к мирскому прозвищу, что указывает на грамотность или хотя бы воцерковленность того первого Серафима, от которого пошла фамилия. В среде малограмотных крестьян имя Серафим часто искажали в Сарафим, Рафим, Фимка, но фамилия сохранила книжную форму.

Другие версии происхождения маловероятны. Например, связь с греческим «серафима» (телохранительница) или тюркскими корнями — ономасты считают их натяжкой, так как у фамилии чёткая славянская словообразовательная модель и прозрачная христианская основа. Встречающееся в документах написание через «о» (Сорофименко) — это не вариант фамилии, а диалектная запись того же самого имени на слух.