Фамилия Мартаков образована от личного прозвища Мартак. В основе лежит чувашское слово «мартак» — «хрупкий, ломкий, легко бьющийся». Так могли назвать хилого, слабого человека. В переносном смысле «мартак» означало также «непостоянный, капризный», что добавляет прозвищу ещё один оттенок.

Есть и другая версия, не связанная с чувашским языком. В некоторых говорах «мартак» — искажённое «марток», то есть март. Прозвище могли дать ребёнку, родившемуся в марте, а само название месяца восходит к имени римского бога войны Марса. Эта версия проще и не требует заимствований, хотя чувашский корень выглядит более вероятным для фамилий, бытующих в Поволжье.

Словообразовательная модель стандартна: суффикс -ов указывает на принадлежность («чей?»). Мартаков буквально означает «сын Мартака» или «потомок Мартака». Фамилия недворянская, скорее всего, крестьянская или мещанская — такие прозвищные фамилии на -ов редко встречались у высших сословий.

Встречается фамилия преимущественно в Чувашии, Татарстане и соседних областях, что косвенно подтверждает чувашскую версию происхождения. В дореволюционных источниках фамилия не зафиксирована широко, что говорит о её локальном и относительно позднем закреплении — скорее всего, в XVIII–XIX веках, когда у крестьян массово появились фамилии.