Фамилия Думенов — сравнительно редкая, и её происхождение не лежит на поверхности. Чтобы понять, откуда она взялась, нужно разобрать её по составу и вспомнить диалектные слова, которые почти вышли из употребления.

Основа фамилии — прозвище Думен (или Думень). Суффикс -ов указывает на типичную русскую патронимическую модель: «чей?» — «Думенов», то есть сын или потомок Думена. В ономастике это «посессивный» суффикс, который прикреплялся к основе мужского имени или прозвища.

Самая вероятная версия связывает прозвище с глаголом «думать». В северных и сибирских говорах слово «думен» могло означать не просто «думающий», а «смышлёный, рассудительный», иногда с оттенком «медлительный, задумчивый». В старину такое прозвище давали человеку, который не спешил с ответом, обдумывал слова, или, наоборот, тому, кого считали советчиком, «думцем» при князе или старосте. В псковских и тверских говорах «думен» — это ещё и «гордый, надменный» (от «дуть губы»), но эта версия менее распространена.

Менее очевидный, но возможный вариант — происхождение от тюркского корня. В тюркских языках (татарском, башкирском) слово «думан» или «туман» означает «туман, мгла». В таком случае прозвище могли дать человеку с неясным, загадочным характером или с «туманным» взглядом. Однако фамилия Думенов нехарактерна для тюркских народов (там типичнее Думан или Думанов), поэтому русская основа остаётся основной.

Встречается фамилия преимущественно на юге России и в Поволжье, что косвенно подтверждает её русские корни: именно там были распространены прозвища от глагола «думать». В дворянских родословных книгах Думеновы не значатся — фамилия крестьянская или мещанская, возникшая в среде, где прозвище было личным, а потом закрепилось за потомками как родовое имя.