Фамилия Демишева образована от мужского имени Демиш — уменьшительной формы целого ряда русских крестильных имён. В основе лежат такие имена, как Дементий (в переводе с латинского — «укротитель»), Демид или Диомид (греческое «совет божий») и Демьян (греческое «покоритель»). Имя Демиш было удобной, ласковой формой в быту, и именно она закрепилась в фамилии.

Суффикс -ев указывает на типичную модель русских фамилий: Демишев — «чей?» — «сын Демиша». Женская форма Демишева — это, соответственно, потомок или жена человека с такой фамилией. Фамилия недворянская, а крестьянская или мещанская: такие отчества в форме притяжательных прилагательных были нормой для простых сословий в центральной России.

Существует и альтернативное объяснение, хотя оно менее убедительно. По этой версии, фамилия связана не с именем, а с прозвищем Демих, которое происходит от диалектного новгородского и тверского глагола «демить» — «лукавить, обманывать». В таком случае прозвище Демих и последующая фамилия Демишев могли указывать на хитроватого, изворотливого человека. Однако против этой гипотезы говорит то, что фамилии на -их (вроде Демихин) встречаются реже, чем на -ев, и что основа «дем-» в антропонимии почти всегда отсылает к церковному имени, а не к диалекту.

Географически фамилия Демишева встречается рассеянно, без ярко выраженного гнезда, что типично для фамилий, образованных от распространённых уменьшительных имён. Встречаются варианты написания через «а» (Демишова) — это следствие акающего произношения в южнорусских говорах, но основная форма закрепилась с буквой «е». Таким образом, в девяти случаях из десяти перед нами потомок человека по имени Демиш, а то, какое полное имя носил предок — Дементий, Демид или Демьян — остаётся загадкой конкретной семейной истории.