Фамилия Демидеев происходит от имени Демидей — народной формы канонического имени Демид (церковное Диомид). В основе лежит греческое «Диомедос», что означает «божественная власть» или «божественный промысел». Имя было распространено в крестьянской и купеческой среде, особенно в центральных и северных губерниях России, где часто переделывали сложные греческие имена на более привычный слух лад: Демид, Демидей, Демьян — все они звучали как «свои», русские.

С языковой точки зрения фамилия образована по стандартной модели: к основе Демидей добавили суффикс -ев (после мягкого согласного), а затем родовое окончание. Менее вероятно, но не исключено, что в некоторых говорах Демидеем могли прозвать сына или внука Демида — в этом случае фамилия несёт оттенок «принадлежащий роду Демидея». Форма Демидеев, а не Демидов, встречается реже, что делает её ценной для генеалогии: она точнее указывает на конкретную ветвь рода, а не на массовое имя.

В православной традиции имя связано с мучеником Диомидом, врачом из Тарса. Он жил в III веке, лечил больных и одновременно проповедовал христианство, за что был казнён. На Руси его почитали как целителя, и имя Демид (Демидей) часто давали детям в надежде на здоровье. Таким образом, предки Демидеевых могли быть крестьянами или посадскими людьми, а сама фамилия — не просто указанием на отца, а отсылкой к христианскому покровителю семьи.