Фамилия Демельханов — редкая и структурно нестандартная для русского языка. Её основа, скорее всего, тюркского или кавказского происхождения, а русский суффикс -ов указывает на то, что фамилия была русифицирована при адаптации к документам Российской империи.

Разберём корень. «Демель» или «Демел» — это вариант имени или прозвища. В тюркских языках (особенно в кумыкском, ногайском, карачаево-балкарском) есть основа «деме» — «говорить» или «речь». Отсюда могло возникнуть прозвище Демель — «говорун», «красноречивый» или, наоборот, «тот, кто много обещает». Вторая версия: «Демель» — диалектная форма арабского имени Джамал (красота, совершенство), которое через тюркское посредничество могло звучать как Демел или Демаль. Третья, менее вероятная, связь с чеченским словом «дем» (лёд) — тогда прозвище могло относиться к человеку с холодным, невозмутимым нравом.

Компонент «-хан» в середине фамилии — типичный тюркский титул (хан, правитель). В сложных именах вроде Демельхан он мог означать «хан красноречия» или «хан-говорун» (если первая часть — от «деме»). Или же «хан» — просто усилительная частица, прибавляемая к имени для придания важности. Таким образом, исходное личное имя Демельхан — двусоставное тюркское имя, где первая часть описывает качество, а вторая — статус.

Фамилия образована по русской модели: к основе Демельхан добавили суффикс -ов. Это значит, что предок носителя фамилии звался Демельханом, а его сыновья или потомки стали Демельхановыми. Географически фамилия тяготеет к Северному Кавказу и Нижнему Поволжью — регионам, где тюркские имена с титулом «хан» были распространены среди кумыков, ногайцев, астраханских татар.

Особенность фамилии в том, что она сохранила редкое сложение двух полновесных корней (Демель + хан) под русским окончанием. Обычно такие имена упрощались до односложных, но здесь форма осталась архаичной и отчётливо указывает на имя предка-тюрка, носившего титул или прозвище с «ханом».