Фамилия Дионисов — редкий случай в русском ономастиконе, где в основе лежит не христианское календарное имя, а имя античного бога виноделия Диониса. В святцах его нет, поэтому напрямую фамилию от языческого божества не образовали. Вероятнее всего, это семинарская фамилия, то есть искусственно созданная в духовных учебных заведениях XVIII–XIX веков. Семинаристам нередко давали «благозвучные» фамилии по именам античных героев, философов или богов — так появились Аполлоновы, Зевсовы, Геркулесовы и, соответственно, Дионисовы.

Модель образования проста: к основе «Дионис» добавили типичный русский патронимический суффикс -ов, который указывал на принадлежность. В крестьянской среде такую фамилию дали бы по отцу, названному редким некалендарным именем Дионис, но вероятность встретить крестьянина с таким именем в дореволюционной России крайне мала. Гораздо правдоподобнее, что фамилию носил выпускник семинарии или священник, которому её присвоили при поступлении в училище.

Есть и вторая, менее распространённая версия: фамилия могла возникнуть из прозвища Дионис, которое давали человеку весёлого нрава, любителю пиров или театральных действ (Дионис — покровитель театра). Но такая гипотеза слабая, потому что в русской традиции прозвища по античным богам нехарактерны и почти не фиксируются в документах XVI–XVII веков.

Географически фамилия Дионисов встречается редко и точечно, в основном в центральных губерниях России, где были духовные училища. У неё есть однокоренные варианты: Дионисьев (с суффиксом -ев, если основа оканчивалась на мягкий согласный) и Дионисиев (ближе к греческому оригиналу). В современной России носителей фамилии единицы, и почти все они — потомки священнослужителей или людей, получивших фамилию в учебном заведении.