Фамилия Демчина образована от имени Демша, Демша — в свою очередь производная форма от Дементий (Дометий) или Демьян. Суффикс -ин указывает на принадлежность: Демчина буквально означает «жена Демши» или «вдова Демши», а в более широком смысле — «из семьи Демши». Это типичная модель для русских фамилий, закреплявшихся за женщинами (вдовами или дочерьми) в документах XVII–XIX веков, когда крестьян и мещан часто записывали по отцу или мужу.

В отличие от фамилий на -ов/-ев, форма на -ин не обязательно говорит о прямом отцовстве. Демчина могла закрепиться за потомками женщины, которую в деревне знали как «Демчиха» — жену Демши. Со временем это прозвище перешло в фамилию и потеряло связь с полом носителя. Так что сегодня Демчина может быть и мужской фамилией — окончание -а не меняет род, а лишь хранит память о грамматической форме исходного прозвища.

Корень Дем- встречается в нескольких фамилиях: Демин, Дементьев, Демьянов, Демченко. Демчина стоит особняком из-за редкого суффикса -ин в сочетании с окончанием -а. Такая форма чаще встречается на юге России и в Беларуси, где фамилии на -ин с ударением на последний слог (Демчина́) не редкость. Если фамилия произносится с ударением на первый слог (Де́мчина), это может указывать на северное или сибирское происхождение, где сохранялась старая модель «отчества-прозвища».

Сам Демша — неканоническое имя, популярное в быту. В словаре древнерусских личных имён такие формы фиксируются с XV века. Человек по прозвищу Демша мог быть сыном Дементия или Демьяна, а мог и сам носить это имя как уменьшительное. В любом случае, фамилия Демчина ведёт родословную от конкретного человека, которого в своём окружении звали именно так, а не полным церковным именем.