Le 11 septembre 2001, il assiste aux attentats du World Trade Center depuis un bureau à Manhattan où il réalisait un stage. Sous le poids de l’événement, il décide de ne pas continuer dans cette voie toute tracée pour divorcer (depuis il vit avec son attachée de presse avec qui il a un enfant, Sacha né en 2007) et revenir à son ancien amour, le théâtre. Il consacre alors ses économies à monter un premier spectacle, Pièce pour un acteur et 20 personnages, dont il présente une première moûture à 800 invités en showcase au théâtre du Gymnase le 2 décembre 2002.
Emballé, le comédien Samuel Le Bihan décide de produire son spectacle qui tient l'affiche, dans une version plus resserrée, dans plusieurs théâtres parisiens comme le Rond-Point ou le Déjazet. Rebaptisé A story pour les gens qui believe in dreams, l'histoire de François « qui ne veut plus perdre sa vie à la gagner », le spectacle se poursuit avec succès en 2005 au théâtre du Petit Mathurin (où il se joue à guichets fermés pendant 5 mois), au théâtre du Petit Montparnasse, à la Gaîté-Montparnasse en 2006, ainsi que dans certaines villes de France. Il apparait également dans le clip du rappeur Kool Shen sur le titre L'avenir est à nous (feat Dadoo et Rohff) en compagnie de Tchéky Karyo.
S'imposant comme une valeur sûre de l'humour de composition, Demaison est repéré par France Inter et devient chroniqueur dans l'émission Le Fou du roi de Stéphane Bern. Ce dernier le propulse ensuite dans son émission Samedi pétantes sur Canal+.
En mars 2007, il rejoint sur scène François Berléand et Maruschka Detmers pour la pièce L'Arbre de joie au théâtre de la Gaîté-Montparnasse.
En 2008, Antoine de Caunes le choisit pour interpréter le rôle de Coluche dans Coluche, l'histoire d'un mec.
Il est parrain de l'association Le Rire Médecin depuis 2009.