Фамилия Мармолюк — одна из тех, где ясна словообразовательная модель, но неочевидна исходная основа. Суффикс -ук (в украинском произношении -юк) — типичный патронимический, то есть указывающий на потомка. В украинской и белорусской ономастике фамилии на -юк означали «сын такого-то» или «маленький, младший»: Ивасюк, Ковалюк, Гринюк. Мармолюк, соответственно, — «сын Мармоля» или «потомок человека по прозвищу Мармоль».

Самая вероятная версия — что в основе лежит прозвище Мармоль, а оно, в свою очередь, восходит к диалектному слову «мармоль» или «мармуль». В западных говорах Украины и юго-западе Беларуси так могли называть человека нерасторопного, вялого или, наоборот, угрюмого, брюзгу (ср. польское marmol — «ворчун», «брюзга»). Есть и другая, менее убедительная гипотеза: связь с итальянским marmo (мрамор) — тогда прозвище мог получить каменщик или резчик по камню. Но для крестьянской среды Правобережной Украины, где фамилия Мармолюк встречается чаще всего, первая версия выглядит правдоподобнее.

Географически фамилия привязана к Волыни и западному Полесью. В метрических книгах XIX века Мармолюки фиксируются в Ровенском, Луцком и Ковельском уездах. Это указывает на то, что фамилия сложилась в среде украинского крестьянства или мелкой шляхты, но без приставки «-ский» или «-ович», которые выдавали бы дворянское происхождение. Скорее всего, предки носителя фамилии были свободными крестьянами или казаками, а прозвище Мармоль получил кто-то из них — за характер или манеру поведения.

Суффикс -юк, а не -енко (типичный для центральной и левобережной Украины), тоже говорит о западноукраинском или полесском ареале. Если бы фамилия образовалась от прозвища Мармо́ль, ударение в ней падает на последний слог: Мармолю́к. Встречающееся изредка написание через «о» (Мармолёк) — результат местного произношения или ошибки писарей, но основной вариант закрепился как Мармолюк.