Фамилия Демяненко образована по классической украинской модели от имени Демян — просторечной формы крестильного имени Дамиан (в русском обиходе закрепилось как Демьян). Греческое Δαμιανός (Damianos) возводят к глаголу δαμάζω (damazō) — «укрощать, покорять», поэтому имя часто толкуют как «покоритель». Суффикс -енко, самый распространённый в украинской антропонимии, указывал на родство по отцу: Демяненко — буквально «сын Демяна». Такие фамилии закрепились в Поднепровье и на Левобережной Украине в XVI–XVII веках, когда патронимическая модель вытесняла прозвища.

В отличие от русских фамилий на -ов/-ев, украинское -енко не застывало в одной форме: в документах встречаются варианты Демьяненко, Демянович и даже Демянов, но Демяненко — именно та форма, где основа усечена до просторечного варианта имени. Интересно, что в говорах Демяном могли называть не только носителя имени, но и человека с характером «укротителя» — упрямого, настойчивого, хотя это скорее народная этимология, чем строгий факт.

С точки зрения сословного состава, Демяненко — фамилия преимущественно крестьянская и казацкая. В реестрах Войска Запорожского и в исповедных росписях Полтавской и Черниговской губерний она встречается часто, что говорит о массовости имени среди простых людей. Дворянских родов с этой фамилией почти нет — исключения единичны и связаны с выслугой личного дворянства в XIX веке.

Ономасты (в частности, Б. Унбегаун в «Русских фамилиях») относят Демяненко к группе украинских патронимов на -енко, которые стали наследственными фамилиями, а не отчествами. В отличие от русской традиции, где сын Демьяна мог стать Демьяновым, на Украине закрепилась модель «имя отца + -енко», что и дало Демяненко. Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Демянов тяготеет к северным русским областям, Демьяненко — к южным и центральным регионам Украины, а Демяненко — наиболее типичный вариант для Полтавщины и Черкасщины.

Сегодня фамилия Демяненко распространена по всей Украине, но заметно чаще встречается в Черкасской, Полтавской и Киевской областях. В России её носители — в основном потомки переселенцев с Украины времён Столыпинской аграрной реформы или более поздних миграций.