Фамилия Демитренко — типичный пример украинской фамилии, образованной по патронимической модели с суффиксом -енко. Этот суффикс в XVI–XVII веках был самым распространённым способом обозначить потомка: Демитренко буквально значит «сын Демитра» или «потомок Демитра». Основа здесь — народная форма крестильного имени Димитрий (в просторечии Демитр, Дмитро), которое пришло на Русь из греческого и означает «посвящённый Деметре», богине земледелия. В украинской традиции имя Дмитро давалось часто, поэтому фамилии с корнем Демит(р)- встречаются повсеместно, но именно форма Демитренко закрепилась преимущественно в центральных и восточных областях Украины.

Интересно, что в отличие от русских фамилий на -ов/-ев (Дмитриев, Демидов), украинское -енко указывает не на принадлежность отцу, а на прямую родственную связь — как бы «малый Дмитро». Такая модель в XVII–XVIII веках была особенно популярна среди казачества и крестьянства Левобережной Украины, поэтому носители Демитренко с большой вероятностью происходят из этих слоёв. В документах фамилия фиксируется с середины XVII века, например, в реестрах Войска Запорожского.

Менее вероятная, но возможная версия — что в основе лежит не имя, а прозвище Демитр (от греческого «демиург» — мастер, создатель), но ономастика склоняется к первому объяснению: прозвищная версия не подкреплена массовостью фамилии. Написание с «е» во втором слоге (Демитренко, а не Дмитренко) — результат адаптации под украинскую орфографию, где безударное «и» могло переходить в «е» в разговорной речи.

В России фамилия распространена в южных регионах, особенно в Краснодарском крае и Ростовской области, куда переселялись украинцы в XIX–XX веках. Встречается и вариант Дмитренко — он ближе к литературной украинской норме, но Демитренко сохранил архаичное произношение. Сословная принадлежность предков — в основном казаки или крестьяне, дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.