Фамилия Дименова — женская форма, а её мужской вариант — Дименов. Это русская фамилия, образованная по стандартной модели с суффиксом -ов, что указывает на принадлежность: «чей?» — Дименов, то есть сын или потомок человека по прозвищу или имени Димен.

В основе фамилии лежит прозвище Димен. Его происхождение неочевидно, и здесь возможны два основных пути. Первый: Димен — это народная, разговорная форма канонического имени Дементий (от латинского «укротитель»). В русских говорах имя Дементий нередко сокращали и переиначивали: Дёма, Демен, Димон, а также Димен. В таком случае фамилия Дименов — аналог распространённых Дементьев, Дёмин, Дементьевский, но с более редкой формой основы.

Второй, более редкий вариант: прозвище Димен могло возникнуть от диалектного слова. В некоторых южнорусских и украинских говорах «димен» или «димён» — это человек, который «дымит», то есть либо курит (табак), либо работает в дыму (например, печник, кузнец, смолокур). Однако эта версия менее надёжна, так как в русских фамилиях отглагольные прозвища на -ен встречаются нечасто, и ударение в слове «димен» не зафиксировано в словарях как устойчивое.

С точки зрения географии, фамилия Дименов (и Дименова) встречается в основном в центральных областях России, с некоторым тяготением к Поволжью. Это не массовая, но и не единичная фамилия. Суффикс -ов говорит о том, что она оформилась в среде крестьян и посадских людей не позднее XVII–XVIII веков, когда отчества закреплялись в качестве наследственных фамилий.

Примечательная деталь: фамилия Дименова не имеет отношения к современному слову «димен» (от английского dimension — измерение). Это случайное звуковое совпадение, которое возникло лишь в XX веке. Поэтому её не следует путать с техницизмами или заимствованиями — корни у неё чисто русские, именные или прозвищные.