Фамилия Диметрюхина — женская форма фамилии Диметрюхин, и её происхождение стоит искать не в словарях древнерусских имён, а в календаре церковных имён. Основа фамилии — мужское имя Димитрий (в народном произношении Дмитрий), а точнее, его просторечная форма Димитрюха.

Как это работает: к основе Димитр- добавили суффикс -юх-, который в русских говорах придавал имени оттенок уменьшительности, ласки или просто обиходности (сравните: Петруха, Валюха, Митюха). Получилось прозвище Димитрюха — так в быту звали человека по имени Димитрий. От этого прозвища через притяжательный суффикс -ин образовалась фамилия Димитрюхин, а со временем написание могло упроститься до Диметрюхин (буква «е» вместо «и» — результат акающего произношения, когда безударный звук слышится нечётко).

Первым носителем такой фамилии был, скорее всего, крестьянин или посадский человек, которого в документах записали как «Димитрюхин сын» или просто «Димитрюха». Фамилия эта недворянская, не искусственная, а «уличная» — типичная для северных и центральных губерний России, где были распространены фамилии на -ихин/-юхин.

Интересная деталь: суффикс -юх- в русских фамилиях встречается реже, чем -ов или -ин, и он часто указывает на конкретный регион бытования — например, на Архангельскую, Вологодскую или Вятскую губернии, где такие формы имён были в ходу. Поэтому Диметрюхина — фамилия с географическим отпечатком: её носители, вероятно, родом из русского Севера или северо-востока.

В написании фамилии возможны варианты: Диметрюхин (с «е»), Димитрюхин (с «и», более исходный), реже — Дмитрюхин (с выпадением первого гласного). Но современная форма Диметрюхина закрепилась именно как результат живого произношения, без искусственной правки по церковнославянскому образцу.