Фамилия Марсов — одна из тех, что образована от имени собственного, но не от христианского святого, а от языческого божества. В основе лежит имя древнеримского бога Марса, входившего в триаду верховных богов римского пантеона (Юпитер, Марс и Квирин). В мифологии Марс считался покровителем не только войны, но и плодородия, растительности, дикой природы — всего, что находилось за пределами поселения и таило опасность.

Фамилию построили по стандартной модели: к основе «Марс» добавили типичный русский суффикс принадлежности -ов. Такой суффикс обычно присоединяли к словам мужского рода, чтобы указать на родство или свойство: «чей?» — Марсов, то есть «сын или потомок Марса». В русской ономастике это нормальный путь для фамилий, образованных от личных имён и прозвищ, даже если имя нехристианское.

Есть и другая, менее вероятная версия. Она связывает фамилию с нарицательным «марс» — так на флоте называют площадку на мачте для наблюдения и работы с парусами. В этом случае прозвище Марс мог получить моряк, часто работавший на марсе, либо человек, командовавший этой частью оснастки. Тогда фамилия относилась бы к профессиональным именованиям, указывающим на род занятий предка. Однако эта гипотеза слабее: в русских говорах слово «марс» в значении «корабельная площадка» не породило устойчивого прозвищного фона, а вот имя римского бога было хорошо известно образованным слоям населения.

Интересно, что по аналогии с фамилией Розов (от «роза», а не «розин») мы видим: суффикс -ов здесь работает не по грамматическому роду исходного слова, а по модели отчества. То есть Марсов — не «сын Марсы», а «сын того, кого звали Марс». Такое словообразование подтверждает, что в основе лежало мужское имя или прозвище, а не женское.

Фамилия редкая и не имеет массовой географической привязки. Встречается спорадически, чаще в городской среде, где могли давать «античные» фамилии по моде XVIII–XIX веков — в духовных училищах или среди интеллигенции. В крестьянской среде она почти не фиксируется.