Es posible que el origen del castellano cansancio y del portugués cansaço no sea el mismo.
No existe ningún otro sustantivo derivado de verbo que utilice el sufijo -ncio para expresar un estado o acción, como cansancio a partir de cansar. El sufijo habitual es el femenino -ncia (como en vagancia, potencia, etc.), que proviene directamente del latín -ntia. En cansancio, y sólo en ella, ese sufijo cambia inexplicablemente de género.
Por otro lado el cansaço portugués utiliza un sufijo diferente. No conozco tanto portugués pero creo que este uso también es único, o bien se desprende figurativamente del uso de -aço como marca de golpe o movimiento violento (correspondiente a nuestro -azo): cansaço sería un "golpe de fatiga", un cansarse repentino y violento.
Hay otras palabras portuguesas que terminan en -ço pero éste corresponde al español -cio (del latín -tium), como en preço (esp. precio < lat. pretium), o bien resultan de una raíz verbal terminada en /s/ que proviene de una sibilante palatal (y que en español tendrá generalmente una -z-), como en abraço.
¿De dónde proviene la vacilación entre cansacio y cansancio? Quizá la primera forma, más antigua y cercana a la norma iberorromance, no sonaba del todo bien a algún oído y fue influenciada por la gran cantidad de sustantivos derivados con -ncia. Quizá esta influencia bastó para que la nasal se introdujera en la palabra, pero no tanto como para hacerla cambiar de género.