Фамилия Демотенко — характерный пример украинской фамилии, образованной с помощью патронимического суффикса -енко. В украинской ономастике этот суффикс означает «маленький» или «сын», то есть Демотенко — это буквально «сын Демота». Основа фамилии — прозвище или сокращённая форма имени Демот. Само имя Демот — это народная, разговорная вариация крестильного имени Дементий (от латинского dementius — «укротитель», «усмиритель») или Демьян (от греческого Damianos — «посвящённый богине Дамии»). В украинской среде имена на -от (Демот, Демко) были распространёнными обиходными формами, которые затем закреплялись как прозвища.

Географически фамилия тяготеет к центральным и восточным регионам Украины, особенно к Полтавщине и Черкасщине, где суффикс -енко является доминирующим в фамилиях. В XIX веке носители фамилии Демотенко фиксировались в ревизских сказках и метрических книгах Киевской и Полтавской губерний. В Россию фамилия попала в ходе миграций и переселений, но остаётся редкой — её нет в сотне самых частых украинских фамилий.

Интересная деталь: написание фамилии с буквой «е» в первом слоге (Демотенко, а не Димотенко) указывает на то, что исходное имя произносилось с чётким [е] под ударением. Если бы основа была от имени Дмитрий (через форму Димот), мы бы видели вариант Димотенко — но таких записей в исторических документах практически нет. Это косвенно подтверждает версию о происхождении от Дементия или Демьяна, а не от Дмитрия. Сравните с однокоренными фамилиями: Демочко, Демченко, Дементьев — все они восходят к тому же корню, но с разными суффиксальными оформлениями.