Фамилия Демельханова происходит от мужского личного имени Демельхан, распространённого в мусульманской среде. Как и многие восточные имена, оно составное: первая часть восходит к турецкому слову demeli — «говорящий, рассказывающий», вторая — хан, титул, который изначально носили вожди племени у кочевников Ирана и Афганистана. Родители, давая такое имя, желали, чтобы сын вырос уважаемым, высокопоставленным и общительным человеком.

Фамилия образована по русской модели: к основе Демельхан прибавили суффикс принадлежности -ов, а затем — окончание -а, указывающее на женский род (носительница фамилии) или на форму, закреплённую в документах. Мужской вариант — Демельханов. Такая словообразовательная схема типична для фамилий, которые возникли у народов Северного Кавказа и Закавказья в XIX–XX веках, когда при фиксации имён в русских документах к местным именам добавляли привычный для русского языка суффикс.

О географии бытования фамилии можно судить по единичным архивным записям. В Книге памяти Алматинской области упоминается Демельханов Гоча Демельханович, родившийся в 1881 году в Урус-Мартанском районе Чечено-Ингушской АССР. Эта запись — редкое документальное свидетельство, которое связывает род с чеченской средой. Урус-Мартан — историческая область расселения чеченцев, и фамилия могла закрепиться именно там, хотя имя Демельхан встречается и у других тюркских и кавказских народов.

Точное время и место возникновения рода Демельхановых установить сложно: фамилии у горских народов Северного Кавказа складывались в разное время, часто — в период активного взаимодействия с Российской империей во второй половине XIX века. Без серьёзного генеалогического исследования можно лишь утверждать, что основа фамилии — составное имя с пожелательной семантикой, а её носители, скорее всего, происходят из чеченской или близкой к ней северокавказской среды.