Фамилия Демитрова — одна из тех, где ударение ставит всё на свои места. Если ударение падает на второй слог (ДемИтрова), перед нами, скорее всего, вариант редкой фамилии Деми́дов или Деми́тьев, записанный на слух через «т» в результате диалектного произношения или ошибки писаря. Но куда вероятнее, что исходная форма — Демитро́ва, и тогда корень ведёт к имени Димитрий (в просторечии — Дмитрий, Демитро, Демитра). В южнорусских и украинских говорах имя Дмитрий нередко звучало как «Демитро́», отсюда и фамилия с характерным суффиксом -ов.

Суффикс -ов указывает на принадлежность: «Демитрова» буквально значила «жена (или дочь) Демитры». В русской традиции фамилии на -ов/-ев чаще всего получали по отцу, поэтому первый носитель, Демитро, был человеком, которого в быту звали сокращённо от полного церковного Димитрий. В отличие от массовых Дмитриевых, форма Демитров встречается редко и географически привязана к югу России и востоку Украины — областям, где «иканье» и смягчение согласных меняли звучание имени.

Любопытно, что фамилия Демитрова могла возникнуть и из прозвища, не связанного с именем. В некоторых говорах «деми́тра» — название меры сыпучих тел (от греческого «демитра» — половина меры). Если предок торговал зерном или отмерял товар «демитрой», прозвище могло закрепиться за ним и его потомками. Однако эта версия менее вероятна: в ономастических справочниках (например, у В. А. Никонова) подобные случаи единичны, и основная масса фамилий на Демит- всё же восходит к имени Димитрий.

В написании фамилии возможны колебания: Демитрова, Димитрова, Дмитрова. Форма через «е» — самая редкая, и её носители, скорее всего, происходят из одной локальной группы, где имя закрепилось именно в таком произношении. Сословного барьера у фамилии нет: её могли носить и крестьяне, и мещане, и духовенство, но в дворянских родословных она не встречается.