Фамилия Дембинова — женская форма фамилии Дембинов, и её разбор стоит начать с мужского варианта. Дембинов — фамилия с патронимическим суффиксом -ов, то есть образована от личного имени или прозвища Дембин. Это, в свою очередь, скорее всего, усечённая форма крестильного имени Дементий (в просторечии Дементий, от латинского Domitius — «приручённый», «укрощённый»). В русских говорах имя Дементий часто сокращали до Дёма, Дема, а также до Дембий или Демба — отсюда и основа Дембин. Менее вероятна, но допустима связь с польским словом dębina («дубрава», «дубовый лес») или с географическим названием Дембины (такие деревни есть в Польше и в западных областях Украины), но для русской фамилии с суффиксом -ов такая основа нетипична — скорее бы появилась фамилия Дембинский.

Интересна географическая привязка. Фамилия Дембинов встречается преимущественно в южнорусских и поволжских регионах, особенно в Ростовской области и в Краснодарском крае, а также в Беларуси. Это указывает на то, что предки носителей фамилии могли быть выходцами из казачьих земель или из западнорусских губерний, где имя Дементий было распространено. Суффикс -ов, в отличие от -ин, не указывает на женский род основы — в фамилиях на -ов исходное слово обычно мужского рода или оканчивается на твёрдый согласный, что подтверждает версию с усечённым именем Дембин.

В написании фамилии есть одна особенность: ударение, скорее всего, падает на второй слог — Демби́нов, хотя в бытовой речи возможен и вариант Дембино́в (по аналогии с фамилиями на -инов). Первый вариант этимологически точнее, так как суффикс -ов присоединяется к основе Дембин, и ударение сохраняется на корне. Встречается и написание через «е» после «м» — Дембенов, но это, вероятно, результат диалектной редукции гласных.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Дембинов стоит в одном ряду с Дементьевым, Деминым, Демьяновым. Но Дембинов — более редкая форма, сохранившая усечённое имя, которое почти вышло из употребления. В дореволюционных метрических книгах фамилия фиксируется с середины XIX века, что говорит о её относительно позднем оформлении — типичная крестьянская или мещанская фамилия, возникшая после отмены крепостного права, когда фамилии стали массово закрепляться.