Фамилия Мартеев — редкий пример, в котором церковное имя и народная переделка сошлись в одной точке. В основе, скорее всего, лежит имя Март (от латинского Martius — «посвященный Марсу», то есть мартовский). В святцах оно встречается в форме Март и Мартий, а в быту давало множество производных: Мартын, Мартья́н, Марти́н. От них пошли фамилии Мартынов, Мартьянов, Мартинов. Мартеев же стоит особняком.

Суффикс -еев указывает на притяжательное значение «сын Мартея». Но полного имени Мартей в православных святцах нет. Здесь сработала народная фонетика: имя Мартий в разговорной речи могли произносить как Мартей — с заменой мягкого окончания на более привычное русскому уху -ей. Так образовалась форма, от которой и пошла фамилия. Вторая версия, менее вероятная, — что за основу взяли прозвище Мартей, которое давали человеку, родившемуся или крещенному в марте, либо тому, кто отличался переменчивым, «мартовским» характером.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным областям России, где имя Март было в ходу у крестьян. В документах XVII–XVIII веков встречаются крестьяне Мартеевы в Вологодском и Костромском уездах. В дворянских родословных книгах эта фамилия не зафиксирована — она оставалась простонародной, что типично для производных от редких календарных имён.

По модели образования Мартеев близок к фамилиям Андреев, Матвеев, но с той разницей, что имя-основа у него неполное, усечённое. Это ставит фамилию в один ряд с такими же «сокращёнными» вариантами, как Корнеев (от Корней) или Лавреев (от Лавр). В современной России фамилия встречается редко, что делает её своеобразным маркером старинного северного говора.