Фамилия Демьянцев — наглядный пример того, как русская фамилия строится вокруг личного имени, но с необычным суффиксом. В отличие от массовых Демьяновых или Демьяненко, форма на -цев встречается реже и говорит о другом способе образования.

В основе фамилии лежит крестильное имя Демьян — русская народная форма канонического имени Дамиан (от греческого «дамазо» — «покорять», «укрощать»). Имя было распространено на Руси, особенно после того, как святые Косма и Дамиан стали почитаться как покровители ремёсел и врачевания.

Суффикс -цев указывает на принадлежность к «демьянцу» — человеку, который либо был сыном Демьяна, либо выходцем из села или семьи, носившей такое прозвище. По модели образования Демьянцев близок к фамилиям вроде Ива́нцев, Петро́вцев, Васи́льцев: здесь суффикс -ец сначала давал прозвище (Демьянец — «маленький Демьян» или «сын Демьяна»), а затем притяжательное окончание -ев добавило значение «чей?» — то есть «принадлежащий Демьянцу». Иными словами, фамилия могла закрепиться за внуком или более дальним потомком, а не за прямым сыном.

Регионально фамилия тяготеет к северным и центральным областям России: Архангельская, Вологодская, Костромская губернии, а также Поволжье. Встречаются варианты написания Демьянцов (с буквой «о» в окончании под акающим произношением) и Демьянцев (с «е» — книжное, более позднее закрепление на письме). В XIX веке носители фамилии чаще всего были государственными крестьянами или мещанами, реже — однодворцами, что типично для фамилий на -цев, не получивших дворянского распространения.

В ономастических словарях фамилия не описана подробно, но её механизм прозрачен: это отчество второго порядка, образованное от уменьшительной формы имени. Если предок звался Демьян, то его сына в быту могли называть Демьянец, а внуков — Демьянцевы. Со временем окончание упростилось до Демьянцев.