Фамилия Демитриева — это женская форма, а её мужской вариант — Демитриев. Она образована от полного церковного имени Димитрий (в бытовом произношении часто звучавшего как Деметрий или Демитрий). Происхождение имени греческое, от «Деметриос» — посвящённый Деметре, богине земледелия и плодородия. Так что в основе фамилии лежит не прозвище и не профессия, а крестильное имя, которое в старину было одним из самых распространённых на Руси.

С точки зрения словообразования фамилия Демитриева — типичный пример притяжательной модели на -ев. Суффикс -ев, а не -ов, указывает на то, что основа имени заканчивалась на мягкий или шипящий согласный: Демитрий — Демитриев. Эта модель в русских фамилиях встречается реже, чем -ов, и характерна для имён с окончанием -ий. Интересно, что в ряде говоров имя произносили с ударением на второй слог — ДемИтрий, что и закрепилось в написании фамилии через «е», а не через «и» (Димитриев).

Географически фамилия Демитриев (и её женская форма) чаще всего встречается в центральных и южных областях России, особенно в бывших губерниях, где было сильно влияние церковного именослова. Встречаются и однокоренные варианты — Дмитриев, Митрев, Дементьев, но Демитриев сохраняет более архаичную, полную форму имени. Носители фамилии в XVIII–XIX веках принадлежали в основном к духовному сословию или купечеству, хотя не исключено и крестьянское происхождение — имя Димитрий давали детям всех сословий.

Если сравнивать с фамилией Дмитриев, то Демитриева — более редкий и книжный вариант, который мог возникнуть при записи имени в метрических книгах «по-церковнославянски». В быту же звучало иначе, но письменная фиксация закрепила именно эту форму. Поэтому для человека с фамилией Демитриева можно с высокой вероятностью предположить, что его предки были грамотными людьми, возможно, связанными с церковной средой, где полные формы имён употреблялись чаще, чем в крестьянской среде.