Фамилия Димохамедов — редкий пример сращения двух разных именных основ в одной фамилии. Она образована от составного личного имени Димохамед, которое бытовало в мусульманской среде, скорее всего, у народов Кавказа или Поволжья. Первая часть, «Димо», восходит к имени Дима (часто как сокращение от Димитрий или как самостоятельное имя у народов, испытавших греческое влияние), вторая — к имени Мухаммед (араб. «восхваляемый»). Соединение христианского (или дохристианского) имени с исламским — не случайность, а результат длительного культурного и языкового контакта, например, в среде татар, кумыков или ногайцев, где имена из разных традиций могли объединяться в одно для ребенка.

Суффикс -ов указывает на русскую модель оформления фамилий, которая закрепилась в документах при учете населения. Таким образом, Димохамедов — это «сын Димохамеда» или «потомок того, кого звали Димохамед». Фамилия не имеет отношения к двойным фамилиям вроде Иванов-Петров: здесь одно имя, записанное слитно.

Поскольку фамилия очень редкая, ее география, скорее всего, ограничена регионами, где происходило смешение именных традиций: Дагестан, Чечня, Татарстан или Астраханская область. В русских ономастических словарях (например, у Б. Унбегауна) подобные гибридные фамилии не описываются, так как они находятся на периферии основной массы русских фамилий. Искать носителей Димохамедовых стоит в списках сельских жителей юга России — именно там, в среде мусульманских народов, могло возникнуть такое имя, а затем и фамилия.

Написание фамилии устойчиво: с буквой «и» после «Д» и буквой «е» в середине. Вариант «Димахамедов» встречался бы, если бы первая часть воспринималась как «Дима», но закрепился именно вариант с «о» — возможно, под влиянием диалектного произношения или из-за того, что имя «Димо» бытовало как самостоятельное.