Фамилия Тимошенова — женская форма от Тимошенов, а та, в свою очередь, образована от мужского имени Тимоша. Это уменьшительная форма канонического крестильного имени Тимофей (от греческого «почитающий Бога»). В русской ономастике суффикс -ен-ов указывает на происхождение от прозвища или имени на -еня, -ена, что встречается реже, чем стандартное -ов/-ев. То есть в основе лежало не прямое имя Тимофей, а его обиходный вариант Тимоша, к которому добавился сначала суффикс принадлежности -ен- (как в фамилиях Тимошенко, Тимошин), а затем патронимический -ов. Модель «Тимоша → Тимошен → Тимошенов» — довольно редкая: обычно такие фамилии закреплялись в южнорусских и украинских говорах, где форма на -енко (Тимошенко) более типична, а на -енов — севернее, в центральных и поволжских областях.

Вероятно, первый носитель фамилии Тимошенов в мужском роде был сыном или внуком человека, которого в быту звали Тимошеня — то есть уменьшительно-ласкательно от Тимофей. Прозвище могло закрепиться за крестьянином или ремесленником, но сословной привязки нет: фамилия не указывает на дворянство или духовенство, а относится к массовому слою крестьянских и мещанских фамилий, возникших в XVII–XIX веках.

В современных справочниках фамилия Тимошенова встречается нечасто, её нет в топ-1000 русских фамилий, что говорит о локальном бытовании — возможно, в нескольких сёлах или уездах. По данным открытых источников, носители сосредоточены в Волгоградской, Ростовской областях и на юге Урала. Интересно, что ударение в фамилии плавающее: часть носителей произносит Тимоше́нова (от имени Тимоша), часть — Тимо́шенова (по аналогии с фамилией Тимошенко). Оба варианта допустимы, но первый этимологически точнее.

Сравнение с однокоренными фамилиями (Тимофеев, Тимошин, Тимошенко) показывает, что Тимошенова — более поздняя форма, возникшая в результате канцелярской фиксации, когда к уже существовавшему прозвищу на -ен добавили стандартный суффикс -ов. Это типичный пример «вторичной» фамилии, когда исходное прозвище теряло связь с живым языком и оформлялось по общему образцу.