Фамилия Демьяненко — это классический пример украинской модели образования фамилий с патронимическим суффиксом -енко. На восточнославянских землях этот суффикс играл роль указателя на родство: он буквально значил «маленький», «сын» или «потомок». Поэтому Демьяненко — это «сын Демьяна», то есть человек, чей отец носил имя Демьян.

В основе фамилии лежит крестильное имя Демьян — народная форма церковного имени Дамиан (Димиан). В переводе с греческого «дамиао» означает «покорять», «укрощать», поэтому имя трактуется как «покоритель». На Руси и в Малороссии имя прижилось благодаря почитанию святых братьев-бессребреников Косьмы и Дамиана. Согласно житию, они были врачами, лечившими людей бесплатно, и приняли мученическую смерть в 284 году: их побил камнями собственный учитель-язычник. В народном календаре день Косьмы и Демьяна (14 ноября) считался праздником кузнецов и ремесленников.

С точки зрения словообразования, фамилия Демьяненко стоит в одном ряду с такими же «сыновьями»: Демьянов (русская модель на -ов), Демьянович (белорусская и польская на -ович) и Демьянюк (украинская на -юк, также означающая «потомок»). Суффикс -енко характерен в первую очередь для Поднепровья и Левобережной Украины (Полтавщина, Черниговщина, Киевщина) и стал доминирующим в украинской антропонимии к XVII–XVIII векам.

Изначально фамилия не указывала на сословие: её могли получить и казаки, и крестьяне, и мещане. В реестрах Войска Запорожского встречаются разные вариации — Демьян, Демьяненко, Демянович. Позже, с закреплением фамилий за родами, форма Демьяненко стала наследственной и передавалась уже без связи с реальным именем отца.