Фамилия Дмитрейко — яркий пример того, как на южных и западных землях бывшего Российской империи переиначивали на свой лад полное церковное имя Димитрий. В основе лежит разговорная форма Дмитрей, где суффикс -ей- указывает на ласкательное или обиходное звучание, а конечное -ко — типичный украинский или белорусский патронимический суффикс. Если в великорусских говорах чаще встречались Дмитриев или Дмитров, то здесь модель «имя + -ко» работала как уменьшительно-притяжательная: Дмитрейко — буквально «маленький Дмитрей» или «сын Дмитрея». Фамилия закрепилась в тех регионах, где украинская ономастика смешивалась с польской и белорусской традициями, — на Левобережной Украине, в Гомельской и Могилёвской областях.

Интересно, что суффикс -ейко встречается реже, чем привычные -енко или -ук, и может указывать на более раннее происхождение фамилии. В документах XVII–XVIII веков, например, в реестрах казацкой старшины, встречаются формы Дмитрейченко, Дмитрейчук, но Дмитрейко — более короткий вариант, который могли дать человеку в качестве уличного прозвища, а потом оно перешло потомкам. В русском контексте фамилия осталась редкой: по переписям XIX века носители Дмитрейко числились в основном мещанами и крестьянами Черниговской и Полтавской губерний, реже — в южных уездах Минской губернии.

Словообразовательный разбор прост: корень Дмитр- (от греческого Demetrios — «посвящённый Деметре»), суффикс -ей- (уменьшительный), суффикс -к- (патронимический) и окончание -о. Ударение, скорее всего, падает на второй слог — Дмитрéйко, хотя в диалектах могли произносить и Дмúтрейко. В отличие от фамилий на -ов, которые закрепились в дворянской и купеческой среде, Дмитрейко — типичная «народная» фамилия, которая сохранила живую разговорную форму имени без книжной обработки.