Фамилия Демичев образована от имени или прозвища, и у неё есть две версии происхождения. Основная — от мужского крестильного имени. В основе лежит краткая форма Демич, которая могла принадлежать одному из нескольких имён: Дементий (от латинского «укротитель»), Демид (греческое «свет божий») или Демьян (греческое «покоритель»). Уменьшительная форма Демич была настолько естественной для русского языка, что от неё и пошло отчество: Демичев — сын Демича. По сути, это отчество второго порядка, как и родственная фамилия Дёмичев, где цепочка выглядит так: Дёма — Демич — Дёмичев.

Менее правдоподобная версия связывает фамилию с диалектным глаголом. В новгородских и тверских говорах слово «демить» (или «дёмить») означало «лукавить, обманывать». От него могло появиться прозвище Демич, которое закрепилось за хитрым человеком. Однако эта гипотеза уступает основной: имена с корнем Дем- были широко распространены на Руси, и фамилии от них встречаются гораздо чаще, чем от прозвищ по диалектным глаголам.

Выбор между версиями зависит от того, какой смысл был важнее для предков — указание на имя в святцах или на характер. Но для большинства носителей фамилии Демичев её основа лежит в крестильном имени, а суффикс -ев указывает на принадлежность к роду.