Фамилия Дименская, скорее всего, женская форма от Дименский. Такая модель образования — через суффикс -ск- — указывает на географическое, а не прозвищное происхождение. В основе лежит название населённого пункта: деревни, села или усадьбы с корнем «Димен-». Самый вероятный претендент — топоним Димна или Димное, которые встречаются в Беларуси и на западе России (например, озеро Димное в Витебской области). Возможно, исходное название звучало как Дименичи, Димёнка или Димень — в любом случае, человек, получивший такую фамилию, был выходцем из того места, владел им или служил при нём.

Корень «дим-» неочевиден. Он может восходить к древнерусскому «дым» (жильё, двор, очаг) или к литовскому «dimstis» (усадьба, поместье). В польской и белорусской ономастике встречаются фамилии Димский, Димовский, Димкевич — все они тяготеют к этой же основе. Если фамилия действительно белорусская или польская по происхождению, то суффикс -ск- типичен для шляхетских фамилий, образованных от названий имений. Однако в крестьянской среде такие фамилии тоже давали — по месту рождения, особенно после отмены крепостного права, когда крестьянам массово присваивали фамилии по названию деревни.

Версия с еврейским происхождением маловероятна: фамилия оканчивается на -ская, а не на -ман, -зон или -берг, и не имеет характерных еврейских корней. Скорее всего, Дименская — фамилия восточнославянская, привязанная к конкретному географическому объекту, который сегодня либо исчез, либо переименован. Найти точное место можно только через карты XIX века или ревизские сказки по западным губерниям Российской империи.

Фамилия редкая, в современных базах данных встречается единично, преимущественно в России и Беларуси. Это говорит о том, что исходное селение было небольшим, а число носителей — невелико. Для потомка Дименских это повод обратиться к метрическим книгам и исповедным ведомостям именно по Минской, Витебской или Гродненской губернии.