Фамилия Демишев — одна из тех русских фамилий, которые образовались от уменьшительной формы крестильного имени. Её основа — Демиша, сокращение от целого ряда имён с начальным Дем-: Дементий (латинское «укротитель»), Демид или Диомид (греческое «совет божий»), Демьян (греческое «покоритель»). В быту все эти имена часто звучали одинаково ласково — Демиша, и именно эта форма стала семейным прозвищем, а затем закрепилась в документах как фамилия. Суффикс -ев указывает на принадлежность: «чей?» — Демишев, то есть сын или потомок Демиши.

Есть и альтернативная версия, менее вероятная. Она связывает фамилию не с именем, а с прозвищем Демих, которое происходит из новгородских и тверских говоров: глагол «демить» там означал «лукавить, обманывать». В этом случае прозвище мог получить хитрый, изворотливый человек. Однако в русской ономастике фамилии на -ев от имён на -а (Демиша → Демишев) встречаются гораздо чаще, чем от прозвищ на -их, поэтому версия с крестильным именем выглядит убедительнее.

В архивных записях фамилия встречается с XIX века. В Книге памяти Самарской области упомянут Демишев Василий Петрович, 1912 года рождения, родом из Рязанской губернии. А в Книге памяти Читинской области записан Демишев (он же Дементьев) Егор Николаевич, 1868 года рождения, из села Гагарское Забайкальской области — двойная запись как раз показывает, что фамилия могла варьироваться в зависимости от того, какое полное имя носил предок. Из известных носителей — спортсмен Виктор Демишев.