Дементей — фамилия, образованная от крестильного имени Дементий. В её основе лежит латинское слово domitius, которое переводится как «укрощающий» или «усмиряющий». Имя попало в святцы через христианских святых, и в народной речи оно часто менялось: Дементий превращалось в Дементей, Дементь, а иногда и Демин.

Разговорная форма Дементей дала фамилию с типичным русским суффиксом -ев, который указывает на принадлежность: Дементей → сын Дементея. По той же модели возникли Дементьев, Дементьевский, но Дементей — более редкий вариант, сохранивший исходное звучание имени без дополнительного суффикса -ев. Такое написание встречается в основном на юге России и в Беларуси, где в документах XIX века имя Дементей записывали как самостоятельную форму, а не как сокращение от Дементий.

В ономастике нет единого мнения, считать ли фамилию Дементей вариантом более распространённой Дементьева или самостоятельным образованием. Скорее всего, перед нами случай, когда фамилию закрепили в той форме, в которой имя бытовало в конкретной местности. Если Дементьевых много по всей России, то Дементей встречается точечно — в основном в сёлах Курской, Воронежской и Ростовской областей.

В отличие от фамилий на -ов/-ев, где суффикс очевидно патронимический, форма Дементей без суффикса — редкий тип русских фамилий. Обычно так оформляли прозвища или имена, которые не успели обрасти родовым окончанием. Возможно, предок носителя фамилии был известен просто как Дементей, без отчества, и это прозвище перешло к детям в неизменном виде.

В церковных записях XVIII–XIX веков имя Дементий писали через «и», но в быту звучало «Дементей». Фамилия, таким образом, сохранила народное произношение, а не книжное. Это роднит её с такими фамилиями, как Кузьма (вместо Козьма), Савелий (вместо Савел), где просторечная форма стала официальной.

По сословному составу носители фамилии Дементей — в основном крестьяне и мещане. В дворянских родословных эта фамилия не встречается. Самый ранний известный носитель — крестьянин Дементей Иванов, упомянутый в переписных книгах Новгородской пятины в конце XVI века, но тогда фамилии ещё не закрепились, и это скорее имя с указанием отца.