Фамилия Деменская — классический пример «географической» фамилии, образованной от названия населённого пункта. В её основе лежит прозвище Деменский, которое давали человеку, переселившемуся из деревни с корнем Демен-: Деменка, Деменки, Деменцы. Такие топонимы встречаются в разных регионах России, особенно в центральных и северных областях, где названия часто образовывались от личных имён. Таким образом, предок носителя фамилии Деменская — это выходец из одной из этих деревень, которого на новом месте называли по прежнему месту жительства: «деменский» — то есть «из Деменок».

Само название местности, скорее всего, произошло от имени или прозвища Деменя. Деменя — одна из народных форм крестильного имени Демид, которое, в свою очередь, восходит к греческому Диомид. В переводе с греческого это имя означает «божественная власть» или «совет божий». В православной традиции известен святой мученик Диомид, живший в III веке. Будучи врачом, он не только лечил телесные недуги, но и наставлял пациентов в христианской вере, за что и принял мученическую смерть. Именно в честь этого святого и называли мальчиков Демидами, а в быту — Деменями.

Фамилия Деменская закрепилась в женском роде, что указывает на её происхождение от женщины (например, вдовы или дочери Деменского) либо на то, что она была дана по фамилии мужа. В любом случае, её корень — Демен- — связывает современных носителей с древним именем Демид, с топонимом в центральной России и с конкретной историей переселения предков.