Фамилия Сысой — редкий случай, когда в основе лежит не прозвище и не профессия, а полная форма канонического имени, а не его бытовая производная. В большинстве русских фамилий на -ов мы встречаем уменьшительные формы: Иванов (от Ивашка, а не Иван), Петров (от Петрушка). Сысой же — это само церковное имя Сысой, напрямую ставшее фамилией без промежуточных суффиксов усечения. Такая модель — признак того, что фамилия могла закрепиться за священнослужителем или за человеком, которого в документах последовательно записывали полным именем, минуя деревенское прозвище.

Имя Сысой — это русифицированная форма греческого имени Сисой, которое носил один из египетских пустынников, преподобный Сисой Великий. В святцах имя давалось в варианте Сисой, но в народном произношении закрепился более удобный для славянского уха «Сысой» с твёрдым «ы». Поэтому фамилия имеет не языческую, а сугубо церковную, календарную природу.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным губерниям России — Вологодской, Архангельской, Костромской, а также к Поволжью. В южнорусских и украинских землях она встречается реже, что косвенно указывает на формирование в среде черносошных крестьян и посадских людей, а не в казачьей среде.

С точки зрения словообразования фамилия «застыла» в форме именительного падежа: Сысой, Сысоев. Но в говорах могла дать и вариант Сысоев — через притяжательный суффикс -ев, что грамматически правильнее, так как в основе имя на -ой. Однако написание «Сысой» сохранилось как более архаичное, без переоформления в прилагательное. Это делает фамилию интересным примером того, как имя собственное может перейти в наследственное прозвание без типичного суффиксального оформления — своего рода ономастическая окаменелость.

В дореволюционных переписях Сысои нередко оказывались старообрядцами: имя Сисой почиталось в древлеправославной традиции, и его охотно давали в среде староверов, избегавших нововведённых имён. Так что для части носителей фамилии возможна связь с расколом XVII века.