Фамилия Думитренко — характерный пример украинской фамилии, образованной с помощью патронимического суффикса -енко. В украинской ономастике этот суффикс (аналог русского «-ович» или польского «-ич») исторически означал «сын», «потомок» или «маленький». То есть Думитренко — буквально «сын Думитра».

Основа фамилии — имя Думитро, которое является украинской народной формой крестильного имени Димитрий (Дмитрий). В украинском языке имя Дмитро часто произносилось и писалось как Думитро — это диалектная черта, характерная для ряда говоров Правобережной Украины и Поднепровья. Фонетический переход «и» в «у» в безударной позиции здесь закрепился.

Таким образом, предок носителя фамилии был человеком по имени Думитро (Дмитрий). Фамилия фиксируется преимущественно в центральных и восточных областях Украины, особенно в Черкасской, Киевской и Полтавской губерниях. Встречается она и в Беларуси, куда попала с переселенцами. В России фамилия редкая, чаще всего её носят потомки украинцев, переехавших в XIX—XX веках.

Стоит отметить, что фамилия не связана ни с каким ремеслом или прозвищем — это чисто «отчество» в форме фамилии. Среди однокоренных — Дмитренко (литературная форма), Дмитрук, Демиденко. Форма Думитренко стоит несколько особняком, так как сохранила просторечное, народное звучание имени, что делает её ценной для диалектологов. В документах XIX века можно встретить варианты написания: Думитренко, Думітренко, реже Домитренко.