Фамилия Сергенова — женская форма, а её мужской вариант — Сергенов. В основе лежит имя или прозвище, и здесь есть два объяснения, причём одно из них значительно вероятнее.

Первое и самое простое: фамилия образована от тюркского имени Серген. У многих тюркских народов (татар, башкир, казахов) имя Серген или Серкен восходит к слову «сергек» — «бодрый», «зоркий», «чуткий». Если предок получил такое имя, то фамилия означает «потомок Сергена». Это типичная модель для фамилий на -ов/-ев, когда основой становится полное имя отца.

Второй вариант — связь с русским именем Сергей. В разговорной речи и в диалектах Сергей мог превращаться в Сергеня (ср. «Сергун», «Сергач»), а от этой уменьшительной формы уже образовалась фамилия. Правда, в этом случае ожидалась бы фамилия Сергенев (от Сергень), а не Сергенов. Окончание -ов характерно для основ на твёрдый согласный (Серген), что как раз указывает на тюркский, а не на русский источник.

Географически фамилия Сергенова встречается в основном в Татарстане, Башкортостане и соседних регионах Поволжья — это косвенно подтверждает тюркскую версию. В русских областях она редка, почти не фиксируется в старых боярских или крестьянских переписях.

Словообразовательная модель типична: основа (имя Серген) + патронимический суффикс -ов (в женском роде -ова). Если верить тюркской этимологии, то фамилия несёт в себе значение «потомок бодрого» или «потомок зоркого», что было вполне распространённой характеристикой человека в кочевой или полукочевой среде, где внимание и быстрота реакции ценились высоко.