Фамилия Серенова — женская форма, а её основа — мужская фамилия Серенов. В русской модели образования фамилий на -ов/-ев это означает, что предок носителя фамилии (скорее всего, отец или муж) был записан как Серен. Сама фамилия Серенов — редкая и неочевидная по корню, что сразу отличает её от массовых фамилий на -ов от крестильных имён (Иванов, Петров).

Наиболее вероятное объяснение — тюркское происхождение. Основа «серен» в тюркских языках (например, в башкирском, татарском, казахском) имеет несколько значений: «редкий», «жидкий», а также «редкостный», «драгоценный» (как что-то, что встречается редко). В тюркской ономастике слово «Серен» могло быть личным именем или прозвищем, которое давали ребёнку, родившемуся с редкими волосами, или же — в переносном смысле — «редкий, ценный человек». В некоторых диалектах «серен» означает «сильный», «крепкий», что тоже могло стать основой для прозвища.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с калмыцким или монгольским «серен» (от «сэр» — ум, сознание), что давало бы прозвище «умный», «сообразительный». Однако для фамилии, бытующей в русском контексте, тюркская версия правдоподобнее, так как фамилии на -ов/-ев в Поволжье и на Урале часто возникали при русификации тюркских имён. Географически фамилия Серенов/Серенова встречается в основном в Башкортостане, Татарстане и соседних областях, что подтверждает тюркский след.

Суффикс -ов указывает на то, что фамилия оформлена по русской модели — либо при переписи населения, либо при переходе носителя в русскоязычную среду. Таким образом, предки носителей фамилии Серенова были, скорее всего, тюркоязычными людьми (башкирами, татарами), получившими фамилию по прозвищу или имени своего предка — Серен.