Фамилия Демартынова — одна из тех, где за привычным русским окончанием скрывается нерусская основа. На первый взгляд она похожа на отчество от имени Мартын (разговорная форма Мартин), но приставка «Де-» выдает иное происхождение. Перед нами не коренная русская фамилия, а фамилия польского или западнорусского (белорусского, украинского) образца, возникшая на территории бывшей Речи Посполитой.

В польской и украинской ономастике частица «Де-» (или «Дэ-») часто присоединялась к фамилиям шляхетского происхождения, указывая на принадлежность к роду или место владения. Фамилия Демартынова (польский вариант — Demartynowa или De Martynów) могла возникнуть как указание на принадлежность к роду Мартынов: «Де Мартынова» буквально означает «из дома Мартыновых» или «Мартынова дочь/жена». В польской традиции фамилии на -ова часто давались женщинам, но в русском языке окончание закрепилось как общее для всех членов семьи, утратив изначальное указание на пол.

Основа фамилии восходит к крестильному имени Мартин (лат. Martinus — «посвященный Марсу», богу войны). В православной и католической традиции это имя носил святой Мартин Турский. В русской среде имя бытовало в форме Мартын, отсюда распространенная фамилия Мартынов. Вариант с приставкой «Де-» встречается значительно реже и концентрируется в западных губерниях Российской империи — на территории современной Беларуси, в Смоленской, Могилевской, Витебской губерниях, где было сильно польское культурное влияние.

Интересно, что фамилия Демартынова стоит в ряду таких же «шляхетских» образований, как Демьянов, Дегтярев, Демченко, но с той разницей, что приставка здесь не срослась с корнем полностью, а сохранила узнаваемость. Встречаются варианты написания: Демартынов, Демартынова (женская форма), а также Дэмартынов. В современной России фамилия редкая, ее носители, скорее всего, потомки тех, кто переселился из западных регионов в ходе миграций XIX–XX веков.

Сословно предки Демартыновых могли относиться к мелкопоместной шляхте или однодворцам — людям, которые имели дворянское происхождение, но не владели крепостными. Однако полной уверенности в этом нет: фамилия могла возникнуть и у крестьян, взявших «панское» окончание по моде или по ошибке писаря. Надежных исторических записей о конкретных носителях фамилии в открытых источниках немного, что говорит о ее локальном и немногочисленном бытовании.