Фамилия Демильханова — яркий пример того, как русская словообразовательная модель накладывается на иноязычную основу, образуя фамилию, звучащую непривычно для славянского уха. Это фамилия женского рода, мужской вариант — Демильханов. Её основа — тюркское или кавказское имя Демильхан. Суффикс -ов указывает на принадлежность: буквально «сын Демильхана» или «из рода Демильхана».

Имя Демильхан составное. Первая часть — «демир» (в разных тюркских языках: темир, тимер, демил), что значит «железо». Вторая часть — «хан» (титул правителя, владыки). Таким образом, Демильхан — это «железный хан», «крепкий, как железо, правитель». Встречаются варианты этого имени: Темирхан, Демирхан, Тимерхан. Чередование «р» на «л» в первой части (Демил- вместо Демир-) — возможный диалектный или фонетический сдвиг, характерный для некоторых тюркских языков, либо результат адаптации при записи в русских документах.

Географически фамилия Демильханова скорее всего связана с Северным Кавказом (Чечня, Ингушетия, Дагестан) или с тюркоязычными народами Поволжья (татары, башкиры), где имя Темирхан / Демирхан было распространено. Фамилии на -ов/-ев у этих народов массово появились в XIX — начале XX века, когда фиксировались в метрических книгах и ревизских сказках.

В отличие от многих фамилий, которые образованы от прозвищ или профессий, Демильханова напрямую восходит к личному имени предка. Социальный статус носителя такого имени мог быть разным: от потомка местного владетеля до простого горца, которого назвали в честь сильного предка или в знак пожелания силы. Фамилия редкая, что делает её хорошим маркером для генеалогического поиска — круг однофамильцев узок, и восстановить родственные связи по архивным записям проще, чем по распространённым фамилиям.