Фамилия Демаев образована от прозвища Демай. В основе лежит слово «дема», которое в тверских говорах означало «обманщик, плут». Скорее всего, Демаем в народе называли мошенника, плутишку или человека, который любил слегка приврать. Потомок такого человека со временем и получил фамилию Демаев.

Однако это не единственная версия происхождения. Суффикс -ев указывает на то, что основа прозвища или имени оканчивалась на мягкий согласный или звук «й». В данном случае «Демай» — это не просто прозвище, а усеченная форма от полного крестильного имени Дементий (в просторечии Демьян). В быту такие сокращения были обычным делом: Демай — то же, что Дема, только с характерным для северных и тверских говоров окончанием на -ай. В ономастике это явление называют «ай-форма»: аналогично образованы прозвища Молчай, Гуляй, Болтай. Таким образом, Демаев мог быть не «сыном плута», а «сыном Демы» или «Демьяна».

Фамилия довольно редкая. Географически она тяготеет к центральным и поволжским регионам России, что косвенно подтверждает её связь с тверскими говорами. Встречается также вариант написания Демаёв — с ударением на последний слог, что характерно для некоторых южнорусских и украинских фамилий, но для Демаева это скорее исключение.

Если выбирать между двумя версиями, прозвищная (от «дема» — обманщик) выглядит правдоподобнее, хотя бы потому, что в говорах слово «дема» зафиксировано именно с таким значением, а имя Дементий и так давал фамилии Дементьев и Демьянов. Зачем создавать ещё одну, если есть прямая прозвищная основа? Но и полностью исключать связь с именем нельзя: в разных семьях фамилия могла возникнуть независимо и от разных корней.