Фамилия Мартельгоф — редкий случай в русском ономастиконе. Она не вписывается в привычные модели на -ов, -ин или -ский, а сразу выдает своё немецкое происхождение. Основа фамилии — сложное слово, которое состоит из двух частей: «Мартель» и «гоф». Вторая часть, «-гоф» (нем. Hof), переводится как «двор», «усадьба» или «хутор». Первая часть, «Мартель», скорее всего, восходит к личному имени Мартин (в немецкой народной форме Martel) или к топониму — названию местности. Таким образом, Мартельгоф можно расшифровать как «двор Мартеля» или «хутор, принадлежащий человеку по имени Мартель».

Фамилия сложилась в немецкой языковой среде, вероятно, на территории Пруссии или Прибалтики, где были распространены составные фамилии с указанием на владение землей или усадьбой. Носители фамилии Мартельгоф — это, скорее всего, потомки остзейских немцев, которые переселились в Российскую империю в XVIII–XIX веках. В России такие фамилии часто оставались без изменений, не русифицировались, поэтому Мартельгоф сохранил свой исходный облик.

В отличие от большинства русских фамилий, у которых суффикс указывает на принадлежность («чей сын?»), Мартельгоф — это фамилия-топоним, которая прямо называет место проживания или владения. Это делает её похожей на фамилии вроде Розенгоф, Линденгоф или Энгельгоф, которые тоже пришли из немецкого культурного ареала. Если искать параллели в русском языке, то по смыслу Мартельгоф близок к фамилиям типа Дворников или Подворный, но с иной, нерусской, словообразовательной логикой.

Социальный статус первых носителей мог быть разным: от управляющего поместьем до владельца небольшого хутора. Однако сама структура фамилии намекает на связь с землей и оседлым хозяйством, а не с ремеслом или военным делом. Географически фамилия Мартельгоф встречается сегодня в основном в России и странах бывшего СССР, что подтверждает её миграционный путь вместе с немецкими колонистами. В самой Германии она редка, так как многие носители были вывезены или переселились на восток.