Фамилия Димитрюкова — редкий случай, когда женская форма встречается чаще мужской, по крайней мере в открытых базах. Но разбирать её логичнее с мужского варианта — Димитрюков. В основе лежит имя Димитрий (церковное) или его народная форма Димитр. В русской традиции имя Димитрий (Дмитрий) — одно из самых частых, но фамилия, образованная от формы «Димитр», встречается не так массово, как Дмитриев или Димитриев.

Словообразовательная модель здесь прозрачная: к основе Димитр- добавили суффикс -юк-, а затем родовой суффикс -ов. Суффикс -юк- в русских фамилиях — явление не центральное, а скорее западное или южное. Он типичен для украинской и белорусской ономастики (ср. Ковалюк, Семенюк), а также для некоторых говоров юга России. В фамилии Димитрюков этот суффикс выполняет роль патронимического показателя: Димитрюк — «маленький Димитр» или «сын Димитра». То есть первым носителем фамилии мог быть человек, которого в быту звали Димитрюком — сыном некоего Димитра. Затем, по русской модели, к этому прозвищу добавили -ов, превратив его в фамилию рода.

Географически фамилия тяготеет к регионам, где пересекались русские и украинские влияния: Курская, Белгородская, Воронежская области, а также Краснодарский край. Встречается она и на Дону. Важно, что форма Димитрюков (а не Димитрюк) указывает на то, что фамилия оформлялась уже в русской канцелярской или церковной среде: на Украине и в Беларуси она скорее осталась бы просто Димитрюк. Так что перед нами гибридная модель: украинский или южнорусский патронимический суффикс -юк- плюс великорусский фамильный суффикс -ов.

С точки зрения социального контекста, фамилия недворянская. Суффикс -юк- в массе своей закрепился за крестьянскими и казачьими родами. В документах XVIII–XIX веков носители фамилии Димитрюковы, скорее всего, числились однодворцами (потомки служилых людей на южных границах) или государственными крестьянами. Встречается написание с одной «м» — Димитрюков, что отражает народное произношение имени (Димитрий через «и» в первом слоге, но без удвоения).