Фамилия Диомидов — одна из тех, что напрямую ведут вглубь веков, к крестильному мужскому имени Диомид. Само имя имеет греческие корни и переводится на русский язык как «совет божий». Соответственно, фамилия образована по простой и распространённой модели: к основе имени добавили типичный русский суффикс принадлежности -ов. Это значит, что предок носителя фамилии, скорее всего, был сыном человека по имени Диомид, и со временем за ним закрепилось прозвание «Диомидов сын», которое потом превратилось в родовое имя.

Интересно, что имя Диомид в святцах встречается, но никогда не было в России таким же частым, как, скажем, Иван или Михаил. Поэтому и фамилия Диомидов — не массовая. Её редкость — подсказка: предки, скорее всего, происходили из среды духовенства или из старых купеческих родов, где было принято давать детям «редкие» по меркам крестьянской среды имена в честь малоизвестных святых. В крестьянской среде эта фамилия тоже могла возникнуть, но реже: обычно редкое имя закреплялось в какой-то одной местности, передаваясь по наследству как прозвище.

С точки зрения словообразования фамилия прозрачна: корень Диомид- и суффикс -ов. Никаких спорных версий или редких суффиксов здесь нет. Модель образования — типичная «отчество», самая распространённая в русском языке. Если сравнивать с однокоренными, то в документах встречается вариант Диомидовский (с суффиксом -ский, указывающим на происхождение от названия села или поместья), но он ещё реже. Фамилия Диомидов не меняла формы в написании: в дореволюционных метрических книгах её писали так же, через «и», хотя иногда в просторечии могли произносить с ударением на второй слог — Дио́мидов.

География бытования фамилии, по доступным данным, тяготеет к центральным и южным губерниям России, особенно к тем областям, где было сильно влияние церковных приходов с греческими именами в святцах.