Фамилия Демейко звучит нехарактерно для русского уха, и это прямое указание на её происхождение. Перед нами яркий пример белорусской или украинской фамилии, образованной с помощью уменьшительно-ласкательного суффикса -ейко (в белорусском языке он часто соответствует русскому -ейка). Такие фамилии типичны для западных регионов бывшей Речи Посполитой и означают «маленький», «младший» или «сын» того, кто назван в корне.

Корень фамилии — Дем- — это сокращённая форма от канонического имени Демьян (церковное Даміан). В просторечии Демьяна часто звали Дема, а для детей или младших родственников использовали ласкательную форму Демейко. Таким образом, Демейко — это буквально «маленький Дема» или, по распространённой модели, «сын Демьяна». Фамилия закрепилась за потомком человека, которого в быту называли Демейко.

Интересно, что в отличие от русских фамилий на -ов/-ев, которые указывали на принадлежность отцу (Петров — сын Петра), белорусские и украинские фамилии на -ко и -ейко часто фиксировали прозвище самого человека, а не его отца. То есть первый носитель фамилии Демейко мог быть не просто сыном Демьяна, а сам носить такое прозвище из-за маленького роста или юного возраста, и оно закрепилось за его родом.

Встречается также менее вероятная, но возможная версия от литовского корня. В Литве есть фамилии Demeika, Demeikis, которые могли быть литуанизированной формой того же славянского имени. Учитывая, что суффикс -ейко — один из самых распространённых в белорусской ономастике (сравните: Адамейко, Иванейко, Янушкейко), славянская версия остаётся основной.

Исторически фамилия Демейко бытовала в основном среди крестьян и мещан на территории современной Беларуси, а также в прилегающих районах Украины и Польши. После разделов Речи Посполитой носители фамилии оказались в Российской империи, где фамилия сохранила своё оригинальное написание без русификации. Встретить Демейко в центральных русских губерниях до XIX века было редкостью — это маркер западного происхождения рода.