Фамилия Демидовы образована от мужского крестильного имени Демид, церковная форма которого — Диомид. В переводе с греческого это имя означает «божественная власть». В основе фамилии лежит просторечная, бытовая форма имени, которая в русской среде вытеснила книжный вариант. Модель образования типична для русских фамилий: к имени Демид добавили суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?» — Демидов), то есть сын Демида. Если убрать суффикс, остаётся корень, который совпадает с самим именем — Демид.

Разбор словообразовательной модели здесь простой, но показательна география бытования. Фамилия Демидовы не случайно получила широкое распространение на Урале и в центральной России. С XVIII века она прочно ассоциируется с династией уральских заводчиков, которые происходили из тульских кузнецов. Однако не стоит путать происхождение фамилии с её исторической известностью: носителями были не только промышленники, но и крестьяне, и мещане, получившие фамилию по имени отца или деда. Среди однокоренных фамилий — Демидкин, Демидович, Демичев, но Демидовы — самая массовая форма, закрепившаяся в документах переписей.

Социальный контекст фамилии двойственный. С одной стороны, она звучит «простонародно», так как образована от полной формы имени без уменьшительных суффиксов (как, например, Демидкин). С другой — именно «простая» модель -ов встречается у всех сословий, от крепостных до дворян. В ономастических трудах, например у Б. Унбегауна, фамилии на -ов от полных крестильных имён описываются как древнейший пласт русских родовых имён. Споров о корне нет: все версии сходятся на греческом происхождении имени, а альтернативные гипотезы — например, связь с тюркским «демир» (железо) — лингвисты отвергают из-за несовпадения фонетики и суффиксальной модели.