Фамилия Дыменко — редкий случай, когда украинская модель образования на -енко встретилась с основой, которая не даёт однозначного ответа. Суффикс -енко в XVII–XVIII веках массово присоединяли к именам, прозвищам и названиям профессий на Левобережной Украине, в Слобожанщине и на Кубани. Он означал «сын» или «потомок», так что Дыменко — буквально «сын Дымы». Но кто такой Дыма?

Самая вероятная версия — от канонического имени Димитрий (в народной форме Дмитро, Дмытро) через стяжение. В украинских говорах имя Дмитро в быстрой речи могли произносить как «Дыма»: отпадал начальный слог, а корень редуцировался. Тогда Дыменко — то же, что Дмитренко, но в более сокращённом варианте. Такое упрощение характерно для фамилий, которые фиксировались на слух, без строгой записи в документах.

Вторая версия связывает основу с прозвищем Дыма от глагола «дымить». В украинском языке «дим» — дым, а «димити» — дымить, чадить. Прозвище Дыма мог получить либо печник, который вечно возился с сажей, либо кузнец у горна, либо просто человек, живший в курной хате. Сравните с русскими фамилиями Дымов, Дынин — та же образная модель, но с разными суффиксами.

Третье, менее распространённое объяснение — от диалектного «дыма» в значении «дыня» (в некоторых южнорусских говорах). Но это спорно: прозвища по овощам обычно давали с уменьшительными суффиксами (Дынька), а не в чистом виде.

Географически фамилия Дыменко встречается в основном на востоке Украины — в Харьковской, Сумской, Днепропетровской областях, а также в приграничных районах России (Белгородчина, Курщина). Это указывает на её формирование в среде казачества или крестьянства Слободской Украины. Сословно предки Дыменко — скорее всего, не шляхта и не духовенство, а свободные или крепостные земледельцы, ремесленники, мелкие служилые люди.

В написании фамилии возможна путаница: украинское «и» на слух передаётся и как «ы», и как «и». В документах XIX века можно встретить варианты Дименко, Дыменко, а в метрических книгах — даже Дыминко с ударением на второй слог. Но современное правописание закрепило форму с «ы», что сближает её с русской транслитерацией украинских фамилий.