Фамилия Деменов — редкий случай, когда на слуху оказывается не основа, а суффикс. В русских фамилиях на -ов чаще всего слышится присоединение к основе на твёрдый согласный: Иванов, Петров. Деменов же образован от имени или прозвища Демен, а не Демен. Это не описка и не диалект — за суффиксом -енов стоит старая модель, при которой притяжательное значение («чей?») передавалось через полную форму прилагательного: Деменов сын, то есть сын Демена. Такая же схема встречается у фамилий Коренев, Савенков, хотя в массе своей они вытеснены вариантом на -ов.

Основа Демен — это разговорная или просторечная форма канонического имени Дементий (в церковном варианте Дометий). Имя греческого происхождения, от слова «доместикос» — домашний, домочадец. В русской среде Дементий быстро сократили до Демен, как Евгений до Евген, а Артемий до Артём. Получается, что Деменов — это буквально «потомок Дементия», но не по святцам, а по живому обиходу.

Встречается фамилия в основном в центральных и южнорусских областях, особенно в Воронежской и Рязанской губерниях, где имя Дементий было популярно среди крестьян. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано — это стопроцентно крестьянская или мещанская фамилия, которая закрепилась в XIX веке, когда крепостным и государственным крестьянам массово давали фамилии по имени отца.

Любопытная деталь: в некоторых переписях XVII века встречается написание Деменов через «я» — Демянов, что фиксирует местное произношение с ятем. Позже написание стабилизировалось, но в архивных документах можно найти оба варианта у одной семьи. Это не две разные фамилии, а следы живой речи, которые осели в бумагах.

Сравните с однокоренными: Дементьев — более книжная форма, от полного имени через суффикс -ев, а Деменов — народная, от усечённой основы. Носители фамилии Деменов — потомки тех, кого в быту звали просто Деменом, без отчества, и чьё происхождение от Дементия уже в XIX веке забылось.