Фамилия Димеева — женская форма от Димеев, и её происхождение почти наверняка связано с тюркским или арабским миром. Основа фамилии — мужское имя Диме́й, которое, скорее всего, является диалектным вариантом имени Дима́ или, что гораздо правдоподобнее, восходит к арабскому Динмухаммад (дин — «вера» + Мухаммад) или к тюркскому имени Тимер (железо) в усечённой форме. В татарской и башкирской среде такие сокращения имён — обычное дело: длинные сложносоставные имена в быту ужимались до двух-трёх слогов.

Суффикс -ев указывает на русскую модель образования фамилий от иноязычных основ. В русской традиции фамилии на -ев/-ов получали от имени или прозвища отца. То есть Димеев — буквально «сын Димея». Типичная география фамилии — Поволжье, Урал и Западная Сибирь, где веками жили татары, башкиры и другие тюркоязычные народы, входившие в состав Российской империи. В этих регионах фамилия встречается и сегодня, хотя и не входит в число распространённых.

Есть и другая, менее вероятная версия: корень «дим» мог быть связан с греческим словом «демос» (народ), но для фамилии, зафиксированной в среде татарских и башкирских родов, такая этимология выглядит натяжкой. Скорее всего, предки носителей фамилии были крещёными татарами или башкирами, либо жили в смешанных русско-тюркских поселениях, где имя Димей давали по созвучию с привычными мусульманскими именами.

Социальный состав носителей фамилии в XIX веке, судя по архивным данным, был пёстрым: среди Димеевых встречались и крестьяне, и мещане, и даже купцы третьей гильдии в уездных городах Казанской губернии. Но массового дворянства эта фамилия не дала — её носители в основном оставались простыми людьми, чьё имя со временем закрепилось за потомками.