Фамилия Дембелов — редкая, и её происхождение не лежит на поверхности. В основе, скорее всего, лежит прозвище или мирское имя Дембел. Суффикс -ов указывает на классическую русскую патронимическую модель: «чей?» — Дембелов, то есть сын или потомок человека по прозвищу Дембел.

Самое правдоподобное объяснение корня — тюркское или кавказское происхождение. В ряде тюркских языков слово «дембел» (или «дамбел») означает «ленивый», «нерадивый», «медлительный». Такое прозвище могли дать человеку с соответствующим характером или, наоборот, в качестве охранительного имени — чтобы злые силы не позарились на ребёнка, считая его «ленивым» и неценным. Встречается этот корень и в осетинском языке, где «дæмбæл» переводится как «тупой» (в прямом смысле, о предмете) или «неповоротливый». В любом случае, это характеристика, данная предку.

Менее вероятная, но возможная версия — связь с диалектным русским словом. В некоторых говорах «дембель» или «дембел» могло означать нечто громоздкое, неуклюжее, или быть искажением имени Дементий (Дементий → Демел → Дембель). Однако такое объяснение хуже стыкуется с окончанием -ов, так как от имени Дементий естественнее образовать фамилию Дементьев.

Географически фамилия Дембелов встречается спорадически, без явного скопления в одном регионе, что типично для фамилий, образованных от редких прозвищ. Она могла возникнуть на юге России или в Поволжье, где сильнее тюркское влияние, но могла появиться и в центральных областях — как прозвище, данное пришлому человеку с «непонятными» чертами. Сословной привязки нет: Дембеловым мог быть и крестьянин, и казак, и мещанин. Судьба фамилии — пример того, как короткое, ёмкое прозвище, данное по характеру или внешности, закрепилось в родовом имени.