Фамилия Демышев — один из ярких примеров того, как просторечная форма имени может закрепиться в качестве фамилии и дойти до наших дней. В её основе лежит имя Демыш, которое является производной, уменьшительно-ласкательной формой от канонического имени Дементий (в просторечии — Дементь) или Демид (церковное Диомид). В русской народной традиции такие усечённые имена с суффиксом -ыш были распространены: Демыш, Тимош (от Тимофей), Иваш (от Иван). Таким образом, Демышев буквально означает «сын Демыша», а сам Демыш — это «маленький Дементий» или «маленький Демид».

Модель образования фамилии — патронимическая, с типичным русским суффиксом -ев, который присоединяется к основам на мягкий согласный или шипящий (Демыш → Демышев). Важно, что суффикс -ыш в имени-основе придаёт фамилии отчётливый народный, нецерковный колорит. В официальных документах XVII–XVIII веков такие формы встречались реже, чем полные имена, но в крестьянской и посадской среде они были обычны. Поэтому Демышевы, скорее всего, происходят из непривилегированных сословий: крестьян или мещан, где имя давали по домашнему, а не по святцам.

Словообразовательная цепочка здесь не единственная. Есть небольшая вероятность, что в основе лежит не имя, а прозвище Демыш, но это маловероятно: в русских говорах слово «демыш» или «дёмыш» не зафиксировано как самостоятельное нарицательное. Ономасты (в частности, словарь русских фамилий Б. Унбегауна) относят такие фамилии к группе, образованной от уменьшительных форм крестильных имён. Споров эта версия не вызывает, она наиболее логична.

Географически фамилия тяготеет к центральным и северным областям России, но не имеет узкой региональной привязки. Встречается в Вологодской, Костромской, Нижегородской губерниях, а также на Урале, куда переселенцы принесли её в XVIII–XIX веках. В отличие от фамилий на -ин (Дёмин, Демин), где основа оканчивается на -а, Демышев сохраняет редкий суффикс -ыш, что делает её более узнаваемой и менее частотной. Сравните: Демин (от Дема) встречается гораздо чаще, чем Демышев, и это лишний раз подчёркивает, что перед нами не случайная описка, а самостоятельная фамильная форма.