Фамилия Диметрюхин — редкий случай, когда в основе лежит не просто имя, а его народная, «просторечная» форма, прошедшая через несколько ступеней переделки. Вопреки первому впечатлению, корень здесь не «диметр» и не связан с единицами измерения. Это вариант крестильного имени Дмитрий, но с необычной суффиксальной обработкой.

Исходная точка — имя Димитрий (в русском обиходе — Дмитрий). В народной среде его сокращали до Димка, Дима, Димоня. Но существовал и менее распространённый суффикс -етр-, который давал вариант Диметра (как, например, от имени Пётр — Петруха). От этой формы через уменьшительно-ласкательный суффикс -юх- образовалось прозвище Диметрюха. Суффикс -юх- в русских фамилиях (ср. Митюхин, Петюхин) указывал на человека, которого так звали в кругу близких — с оттенком простоты и принадлежности к крестьянской или мещанской среде. Фамилия возникла как ответ на вопрос «чей ты?»: сын или работник Диметрюхи — отсюда Диметрюхин.

По модели образования фамилия принадлежит к типу на -ин, что характерно для основ, оканчивающихся на -а/-я. Это одна из древнейших и самых распространённых моделей в северных и центральных областях России. Однако сама фамилия чрезвычайно редка. В дореволюционных справочниках, списках купцов и мещан она не фиксируется — это говорит о том, что её носители, скорее всего, принадлежали к крестьянскому сословию, возможно, в какой-то одной местности.

Спорный момент: можно было бы предположить, что перед нами вариант фамилии Дмитрюхин, где начальное «Ди» осталось от церковнославянского Димитрий, а не от просторечного Дмитрий. Но в русской ономастике форма «Диметра» встречается как самостоятельное прозвище, зафиксированное, например, в словарях древнерусских личных имён (Тупиков, Веселовский). Поэтому версия с суффиксом -етр- выглядит убедительнее, чем простое искажение.

Географически фамилия могла закрепиться в регионах, где было сильно влияние старообрядчества или где сохранялись архаичные формы имён — например, на Русском Севере или в Поволжье. Сейчас носителей можно встретить единично в разных областях, но концентрация, если судить по открытым данным, не прослеживается. Это фамилия-уникум: она не даёт готового ответа о роде занятий предков, но зато сохранила редкую цепочку народного словотворчества — от Дмитрия до Диметрюхи за три шага.