Фамилия Дименьтьева образована от крестильного имени Дементий, которое пришло на Русь с христианством из латыни: dementio переводится как «укрощающий, усмиряющий». В основу фамилии легла не полная, а производная, разговорная форма имени — Дименьтий. Такие усечённые или смягчённые варианты были обычны в простонародной среде: полное имя Дементий в быту часто сокращали, и именно эта обиходная форма закрепилась в фамилии.

С точки зрения словообразовательной модели, фамилия относится к самому массовому типу русских фамилий — на -ев (вариант суффикса -ов после мягкого согласного). Этот суффикс указывал на принадлежность: «сын Дименьтия» или «из дома Дименьтия». То есть Дименьтьева — это буквально «жена или дочь Дименьтия», а исторически фамилия закрепилась за женщиной или передалась по женской линии, что для русских фамилий не редкость.

Среди святых покровителей имени — мученик Дементий, пострадавший за веру в IV веке в числе сорока Севастийских мучеников. Однако прямо связывать фамилию с этим святым можно лишь условно: имя Дементий (и его форма Дименьтий) было распространено в разных слоях общества, но суффикс -ев и просторечная основа указывают, что предок носительницы фамилии, скорее всего, принадлежал к крестьянскому или посадскому сословию. В дворянской среде такие «домашние» варианты имён в фамилиях встречались реже.

Интересная деталь: написание через «и» в первом слоге — Дименьтьев — встречается заметно реже, чем стандартное Дементьев. Это могло быть следствием местного говора (аканье или яканье), либо ошибкой писаря, закрепившейся в документах. В любом случае, фамилия сохранила живое народное произношение, что делает её ценной для историков языка.