Фамилия Мартанукаев — редкая и территориально привязанная к Северному Кавказу, в первую очередь к Чечне и Ингушетии. Её происхождение напрямую связано с вайнахским (чеченским или ингушским) мужским личным именем Мартанука, которое, в свою очередь, является сложносоставным. Первая часть, «Мартан», восходит к названию реки Мартан (левый приток Сунжи), а вторая, «ука» — к чеченскому слову «уо» или «ука» (в зависимости от диалекта), означающему «сын». Таким образом, имя Мартанука буквально переводится как «сын Мартана» или «рождённый на Мартане», указывая на географическое происхождение предка — с берегов реки Мартан.

Суффикс -ев в окончании фамилии — это русский патронимический формант, который добавили при оформлении фамилий в документах в XIX—XX веках. Модель образования типична для региона: к тюркской или вайнахской основе приращивался русский суффикс принадлежности. Прямого родства с фамилиями на -уков или -уев (часто встречающимися у балкарцев или кумыков) здесь нет, хотя внешне они похожи. Корень «Мартан» в чеченской топонимике настолько значим, что от него образованы не только фамилии (Мартанов, Мартанукаев), но и названия тейпов (родов) — например, Мартан-Тейп.

Носители фамилии Мартанукаев — это потомки людей, чей род был связан с долиной реки Мартан или селениями вдоль неё (например, станица Ассиновская, село Мартан-Чу). В советское время, при паспортизации, фамилию закрепили за конкретными семьями, и она перестала быть просто описанием места рождения, став наследственным родовым именем. Сословная принадлежность предков могла быть разной: от свободных общинников до узденей (мелкопоместных дворян), но точных данных об этом нет, так как фамилия не попала в дворянские родословные книги Российской империи.

Встречаются варианты написания с одной «н» (Мартанукаев) или с ударением на последний слог — это результат разной записи при переводе с чеченского языка на русский. В чеченском языке ударение в таких именах подвижно, поэтому в устной речи фамилия может звучать как Мартанука́ев или Мартанука́й. В современной России фамилия остаётся малочисленной, её носители живут преимущественно в Чечне, Ингушетии и в среде кавказских диаспор в крупных городах.