Фамилия Артёмина образована от мужского имени Артёма — народной, разговорной формы крестильного имени Артемий. Это имя пришло на Русь из Древней Греции, где означало «здоровый», «невредимый». Основой фамилии стала именно обиходная, а не церковная форма, что указывает на её происхождение в среде, далёкой от книжной учёности: скорее всего, родоначальник Артёминых был человеком простого сословия.

Модель образования фамилии — типичная для русского севера и центральных областей. Суффикс -ин присоединяли к основам на -а/-я, чтобы указать на принадлежность: «чей сын?» — Артёмин, то есть сын Артёмы. Такая же модель работает в фамилиях Ильин, Фомин, Кузьмин.

Стоит отметить, что в старых документах эта фамилия могла писаться через «е» — Артемина, поскольку вплоть до реформы орфографии 1918 года колебания в написании безударных гласных были нормой. Вариант с буквой «ё» закрепился в устной традиции, но в официальных записях нередко встречается и без неё.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Артёмина стоит в одном ряду с Артемьевым, но между ними есть различие. Артемьев — от полной церковной формы имени (Артемий), а Артёмина — от её сокращённого бытового варианта. Это говорит о том, что разные ветви одного имени могли дать начало совершенно разным фамилиям, не связанным общим предком.

География фамилии тяготеет к северным и поволжским землям, где суффикс -ин традиционно доминировал. Встречается она и в центральных регионах, но реже, чем, скажем, на Вологодчине или в Архангельской губернии.