Фамилия Трофименцева — это отчество второго порядка, и это сразу объясняет её необычный для слуха вид. Цепочка здесь такая: внук Трофима становился Трофименцем, а его сын уже писался Трофименцевым. То есть фамилия отвечает не на вопрос «чей ты сын», а на вопрос «чей ты внук». Такая модель встречается реже, чем простые отчества на -ов и -ин, поэтому фамилия выделяется даже среди однокоренных Трофимовых, Трофимкиных и Трофименко.

Имя Трофим пришло из древнегреческого языка и значит «кормилец». В церковном календаре это имя связано со священномучеником Трофимом, спутником апостола Павла в его третьем путешествии. По преданию, Трофим не оставлял апостола в трудностях, и эта деталь многое говорит о том, каким видели своего небесного покровителя люди, называвшие так детей. Имя было распространено в крестьянской и мещанской среде, но сам факт образования фамилии через две ступени — Трофим → Трофименец → Трофименцев — намекает на то, что родоначальник пользовался уважением. Такие «внучьи» формы чаще закреплялись за людьми заметными, чьё происхождение стоило подчёркивать.

Суффикс -ец в промежуточной форме Трофименец в русской ономастике часто указывал на принадлежность к месту или роду, а в сочетании с именем давал значение «потомок Трофима». Позже к этой форме добавили стандартный притяжательный суффикс -ев, и получилась фамилия в её современном виде. Ударение в ней падает на второй слог — Трофи́менцева, и это тоже отличает её от многих производных имён.

В документах фамилия встречается преимущественно в центральных и южных регионах России, где имя Трофим было особенно ходовым. Стоит заметить, что написание с -е- после ц — Трофименцев — закрепилось под влиянием церковнославянской традиции, тогда как в разговорной речи иногда слышится упрощённый вариант Трофимцев. Это разные фамилии с разной историей, и путать их не стоит: Трофимцев — простое отчество от отца, а Трофименцев — от деда.