Фамилия Димахова образована от мужского имени Димахо — производной, народной формы крестильного имени Димитрий (церковнославянский вариант Дмитрия). Имя Димитрий греческого происхождения и означает «принадлежащий Деметре», богине земледелия и плодородия. В русских говорах полное церковное имя часто сокращали и переделывали на свой лад, и форма Димахо — один из таких бытовых вариантов, характерный для простонародной среды.

Словообразовательная модель фамилии типична для русского севера и некоторых центральных областей: суффикс -ов (в женском роде -ова) присоединялся к основе, оканчивающейся на гласную, за которой следует твёрдый согласный. В данном случае основа «Димах» (от имени Димахо, где конечный гласный отпал) дала фамилию Димахов. Такая модель встречается реже, чем привычное присоединение суффикса к полному имени, и указывает на то, что прозвище или обиходное имя закрепилось в семье ещё до официальной фиксации фамилий в XVIII–XIX веках.

Скорее всего, основатель рода Димаховых был выходцем из рабочей или крестьянской среды. В среде духовенства и дворянства предпочитали книжные формы имени, а простонародье охотно пользовалось сокращениями вроде Димахо. Поэтому потомок человека по имени Димахо со временем и получил фамилию Димахов — без изменений, как она сложилась в обиходе.

Интересно, что фамилия Димахов (и её женская форма Димахова) встречается преимущественно в центральных и северных регионах России, а также среди старообрядческих общин, где бытовали архаичные варианты имён. В других славянских языках подобные формы почти не фиксируются — это специфически русская словообразовательная особенность.