Фамилия Демехин (и её вариант Демёхин) — типичный пример русской «полуотчества»: её образовали от обиходной, уменьшительной формы крестильного имени. В основе лежит имя Демеха (или Демёха), которое на Руси служило просторечным вариантом сразу для нескольких канонических мужских имён. Это могли быть Дементий (от латинского «укротитель»), Диомид (греческое «совет божий») или Демьян (греческое «покоритель»). Все три имени были распространены в крестьянской и мещанской среде, и их бытовые сокращения часто сливались в одну форму, так что точно определить, от какого полного имени пошла конкретная ветвь Демехиных, уже невозможно.

Суффикс -ин указывает на принадлежность: Демехин буквально означает «сын Демехи». Такая модель образования фамилий — одна из самых массовых в северной и центральной России, где преобладал притяжательный суффикс -ин (-ын) вместо южного -ов.

Существует и альтернативная, но менее правдоподобная версия. Согласно ей, фамилия восходит не к имени, а к прозвищу Демеха, связанному с диалектным (новгородским и тверским) глаголом «дёмить» — «лукавить, обманывать». В таком случае прозвище мог получить хитрый, изворотливый человек. Однако эта гипотеза слабее: во-первых, глагол «демить» встречается редко и локально, во-вторых, форма Демеха как уменьшительное от Дементия или Демьяна зафиксирована в исторических документах гораздо чаще, чем прозвище с таким корнем. Поэтому основная версия — именная, от канонического имени через обиходную форму.

Отдельного внимания заслуживает вариант написания с «ё» — Демёхин. В русской ономастике фамилии с «ё» часто указывают на северное или северо-западное происхождение, где звук [о] под ударением после мягкого согласного произносили отчётливо и фиксировали на письме. В южных и центральных говорах тот же звук чаще заменяли на «е». Таким образом, написание Демёхин может быть маркером исходного региона носителей, хотя в XX веке из-за унификации документов многие фамилии потеряли «ё» и стали писаться через «е».