Фамилия Мартехин — редкий случай, когда при разборе стоит начать не с корня, а с суффикса. Модель на -ин типична для русских фамилий, образованных от основ на -а/-я: Мартеха → Мартехин. Но вот имя Мартеха — это не каноническая форма. В русской ономастике так могли назвать человека по одному из двух путей.

Первый и самый вероятный: Мартеха — это обиходная, разговорная форма крестильного имени Мартин (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», «воинственный»). В народной среде имя Мартин часто переделывали: Мартын, Мартя, Мартеха. Суффикс -еха в данном случае — не уменьшительно-ласкательный, а скорее фамильярно-бытовой, характерный для северных и центральных говоров. Так из имени Мартин получалось прозвище Мартеха, которое затем закрепилось за детьми как фамилия.

Вторая версия менее распространённая, но не лишённая оснований: основа могла быть не крестильной, а прозвищной. В диалектах слово «мартын» или «мартеха» иногда связывали с названием птицы — мартын (чайка), или с глаголом «мартынить» — «хитрить, лукавить». В таком случае Мартеха — прозвище хитрого, изворотливого человека, либо того, кто держал чаек (например, жил у воды). Однако эта гипотеза слабее: фамилии от названий птиц обычно образуются через -ов/-ев (Мартынов), а не через -ин, если только основа не оканчивалась на -а (Мартеха — птица? маловероятно).

Географически фамилия Мартехин встречается в основном в центральных областях России (Тверская, Ярославская, Московская) и на Урале, что подтверждает связь с народным именем Мартин — в этих регионах имя было популярно в XVI–XVII веках. Сословно предки Мартехиных, скорее всего, были крестьянами или посадскими людьми: фамилия не дворянская, без суффикса -ский, и образована по самой массовой модели.

В написании стоит обратить внимание на вариант Мартихин — он встречается реже, но тоже возможен, если в основе лежало имя Мартиха (от Мартин через Мартя). Однако Мартехин с буквой «е» — более устойчивая форма, зафиксированная в справочниках.