Фамилия Дёмцев образована от имени Дёмец — уменьшительной формы крестильных имён Дементий, Демид или Демьян. Самая вероятная основа — Дементий: в переводе с латинского это имя означает «укрощающий, усмиряющий». Демид восходит к греческому «свет божий», а Демьян — к греческому «покоритель». В народной речи все три имени часто сокращали до короткого Дёма, а от него образовывали ласкательный вариант Дёмец.

Суффикс -ев в фамилии указывает на принадлежность: Дёмцев буквально значит «сын Дёмца», «потомок того, кого звали Дёмец». Это типичная русская патронимическая модель, где к основе на мягкий согласный или на -ц добавляется -ев, а не -ов. Грамматически фамилия Дёмцев стоит в том же ряду, что Кузнецов (от Кузнец) или Пономарёв (от Пономарь), но с той разницей, что исходное имя здесь не профессия, а личное прозвищное имя.

Встречаются варианты написания через «е» — Демцев, но фамилия с буквой «ё» в корне исторически точнее отражает произношение: Дёмец, Дёмцев. В документах XIX — начала XX века «ё» часто заменяли на «е», поэтому в архивах можно найти обе записи.

Географически фамилия тяготеет к центральным и южным областям России: Курской, Воронежской, Тамбовской, Рязанской. В этих краях имена Дементий, Демид и Демьян были особенно распространены среди крестьян и мещан. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано — Дёмцевы, скорее всего, вышли из крестьянской или посадской среды.

Если выбирать между тремя возможными первоисточниками, самый надёжный — Дементий. Имя Демьян давало чаще форму Дёма, а Демид — Дёма или Дёмушка, тогда как Дементий в народе устойчиво превращался именно в Дёмец. В словаре русских фамилий Б. Унбегауна и в работах В. Никонова эта модель подтверждается: суффикс -ец в уменьшительных именах типичен для южнорусских говоров.