Фамилия Демусенко — типичный пример фамилии, образованной по украинской модели с суффиксом -енко. Этот суффикс, один из самых распространённых в украинской ономастике, изначально означал «сын» или «потомок» (как русское -ович/-евич). Таким образом, Демусенко — это буквально «сын Демуса», где Демус — это либо народная форма имени, либо прозвище.

Основа фамилии — Демус. Скорее всего, это усечённая или диалектная форма крестильного имени Демьян (от латинского Damianus, «посвящённый богине Дамии»). В украинской и южнорусской среде имена часто сокращали: Демьян превращался в Демко, Дема, а затем и в Демус. Такая модель характерна для фамилий, возникших в среде казачества и крестьянства на Левобережной Украине (Полтавщина, Черниговщина, Слобожанщина), где суффикс -енко стал доминирующим уже в XVII веке.

Менее вероятная, но возможная версия — происхождение от прозвища Демус. В южнорусских говорах слово «демус» могло означать «болтун» или «пустомеля» (от греческого «демос» — народ, в смысле «говорящий на публику»). Однако эта гипотеза слабее: в массе украинских фамилий на -енко подавляющее большинство образовано именно от имён, а не от прозвищ. Если бы прозвище было основным, мы бы чаще встречали параллельные формы вроде Демусюк или Демусенков, которые редки.

Фамилия Демусенко почти не встречается за пределами восточной Украины и юга России. Это надёжный маркер того, что род происходит из зоны расселения украинских казаков. В дореволюционных ревизских сказках Демусенко фигурируют как государственные крестьяне или казаки — дворянство эта фамилия не получила, так как суффикс -енко в Российской империи считался простонародным и «малороссийским».