Фамилия Деметьева — женская форма, а её исходная мужская версия, Деметьев, встречается реже. В основе фамилии лежит имя Деметий, которое восходит к греческому Деметриос — «посвящённый Деметре», богине земледелия и плодородия. В русской традиции это имя давали при крещении, и со временем оно обросло множеством обиходных форм: Демьян, Митя, Дементий. Фамилия Деметьев образована не от самого популярного варианта, а от более книжного, полного — Деметий. Суффикс -ев указывает на принадлежность: «сын Деметия».

Интересно, что фамилия Деметьев (и её женская форма) не получила массового распространения в центральных губерниях, где чаще селились Демьяновы или Митяевы. Она скорее характерна для регионов, где церковные имена сохранялись в более строгом виде. По данным переписей XIX века, носители фамилии Деметьевы встречались в Тверской и Ярославской губерниях, а также среди духовенства — в среде священников и дьяков. Для духовного сословия было типично использовать полные канонические формы имён в качестве фамилий, чтобы подчеркнуть связь с церковным календарём.

В написании фамилии часто путают с Дементьевой — от имени Дементий, которое является той же греческой основой, но в более просторечной обработке. Деметьева — редкий вариант, сохранивший букву «е» после «т», что выдает либо искусственное, книжное происхождение фамилии, либо её запись через греческое написание. В современных справочниках фамилия Деметьева не попадает в списки самых частых, а её носителей можно встретить в основном в центральной России и Поволжье.