Фамилия Мартехина — женская форма фамилии Мартехин, а та, в свою очередь, восходит к прозвищу или имени Мартеха. Это довольно редкая словообразовательная модель: суффикс -ех(а) в русских фамилиях встречается нечасто, чаще мы видим -их(а) или -ох(а). Основа здесь та же, что и в имени Мартын (от латинского Martinus — «принадлежащий Марсу», то есть «воинственный»), но в народной переработке имя звучало как Мартей, Мартюха, Мартеха. То есть Мартеха — это уменьшительно-ласкательная или обиходная форма от Мартын или, реже, от Мартемьян.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным областям России — Архангельской, Вологодской, Костромской, а также встречается на Урале. В этих регионах суффикс -ех(а) был более живуч в прозвищах и некалендарных именах. Если предок носил прозвище Мартеха, оно могло означать не только имя, но и характер: в некоторых говорах «мартын» и однокоренные слова связывали с болтливостью, суетливостью или, наоборот, с упрямством (сравните с диалектным «мартышка» — кривляка). Впрочем, основная версия — всё же от христианского имени, которое в крестьянской среде часто переделывали до неузнаваемости.

Фамилия Мартехин (и Мартехина) — относительно молодая, как и большинство русских фамилий на -ин, которые активно формировались в XVI–XVII веках. Она не относится к дворянским или княжеским — это типичная крестьянская или мещанская фамилия, указывающая на родство с конкретным человеком: «чей?» — Мартехин, то есть сын или внук Мартехи. Интересно, что в некоторых переписях XIX века встречается вариант написания с «о» — Мартохин, что подтверждает живую вариативность народного произношения.

Поскольку фамилия редкая, её носители сегодня могут быть сосредоточены в тех же регионах, где она возникла, или разбросаны по стране в результате миграций XX века. Никаких громких исторических личностей с этой фамилией не зафиксировано — это «тихая» фамилия, которая хранит память о простом человеке, чьё имя когда-то сократили до ласкового Мартеха.