Фамилия Сисенбаева — женская форма фамилии Сисенбаев, и чтобы понять её происхождение, нужно разобрать мужской вариант. Это типичная фамилия тюркского происхождения, распространённая у казахов, башкир, татар и других народов, использующих модель образования фамилий на -баев (-баева для женщин).

Основа фамилии — составное личное имя Сисенбай. В нём два компонента: «Сисен» и «бай». Первая часть восходит к числительному «сисен» (в некоторых тюркских языках — «сорок»), но в данном случае это, скорее всего, не числовое значение, а имя-оберег. У тюркских народов существовала традиция давать детям «числительные» имена, чтобы сбить с толку злых духов: например, имя Сисен (Сороковой) давали ребёнку, родившемуся после череды смертей в семье, чтобы «сороковой» оказался живучим. Вторая часть — «бай» (богатый, хозяин, господин) — один из самых частых компонентов в тюркских составных именах, который придавал имени пожелание богатства и знатности. Таким образом, Сисенбай — это «богатый как сороковой» или «сороковой хозяин», имя с сильным защитным и пожелательным смыслом.

Фамилии на -баев/-баева — это патронимы, то есть «сын (или дочь) такого-то». Суффикс -ев (фонетический вариант -ов после мягких согласных) — русский патронимический суффикс, добавленный к тюркской основе при оформлении фамилии в документах Российской империи в XIX — начале XX века. В самой казахской среде носитель этой фамилии звался бы Сисенбайулы (сын Сисенбая), а его дочь — Сисенбайкызы.

Географически фамилия Сисенбаева наиболее характерна для Западного Казахстана (Атырауская, Западно-Казахстанская области), а также встречается у башкир в Оренбуржье. В русском написании возможны варианты Сысенбаева (через Ы) — это диалектное произношение, закреплённое в документах. Учитывая редкость фамилии за пределами тюркских регионов, её носители почти наверняка имеют прямую родовую связь с конкретным родом или племенем (жузом), где имя Сисенбай было личным прозвищем или именем основателя рода.