Фамилия Димитрова — одна из тех, что сразу выдают родовую связь с именем Димитрий (в русской традиции — Дмитрий). Основа здесь — греческое имя, означающее «принадлежащий Деметре», богине земледелия и плодородия. Суффикс -ов указывает на принадлежность: буквально Димитрова — «дочь (или жена) Димитрия». Модель образования типична для болгарских, русских и других славянских фамилий, но ударение и написание с «и» в корне чаще выдают болгарское или южнославянское происхождение. В русском языке привычнее форма Дмитров/Дмитриев, а вариант Димитров — более архаичный или заимствованный.

Имя Димитрий было широко распространено у славян благодаря частому упоминанию в святцах, поэтому фамилии с основой Дмитр-/Димитр- входят в число самых популярных, образованных от мужских имен. Архивные документы подтверждают, что носители фамилии встречались в разных сословиях и регионах. В Ленинградском мартирологе, например, записан болгарин Димитров Дмитрий Демьянович (1897 года рождения, село Диановка Днепропетровской области) — научный сотрудник Института языка и мышления АН СССР. В Одесском академическом центре упоминается Димитров Иван Александрович (1885 года рождения, село Голица Бессарабской губернии). А в Книге памяти Свердловской области — студент медицинского техникума Димитров Лазарь Костович (1909 года рождения, Болгария).

Среди известных однофамильцев — болгарский историк и философ Михаил Дафинкичев Димитров (1881–1966), академик Болгарской АН, профессор Софийского университета, специалист по истории болгарского Возрождения и исследователь творчества Христо Ботева и Любена Каравелова. Его фамилия — прямое указание на то, что предка звали Димитрием, и со временем это отчество закрепилось как родовое имя.