Фамилия Мартемьянов — один из примеров того, как крестильное имя, пройдя через живую народную речь, обросло новыми звуками и превратилось в устойчивую фамилию. В основе лежит православное мужское имя Мартин (в русском обиходе чаще звучавшее как Мартын). Латинское Martinus переводится как «посвященный Марсу» или «воинственный» — от имени древнеримского бога войны. Однако в быту полное имя Мартин часто заменяли более привычными производными формами. Одна из них — Мартемьян — и стала прямым источником фамилии.

Просторечная форма Мартемьян появилась не случайно: в русской языковой среде имя Мартын нередко «наращивало» слоги и меняло окончание под влиянием других распространённых имен (скажем, Артемьян от Артемий). Так имя, которое в церковном календаре значилось как Мартин, в документах и повседневной речи превращалось в Мартемьяна. Суффикс -ов в фамилии указывает на принадлежность: Мартемьянов — это «сын Мартемьяна» или «потомок Мартемьяна».

Есть и другая версия, менее убедительная: связь фамилии со словом «мартын». В некоторых русских говорах так называли рыбу (мартын — вид чайки или рыбацкое название), и прозвище Мартын могло указывать на род занятий — например, на рыбную ловлю. Но большинство ономастов сходится на том, что первичным здесь всё же было крестильное имя, а промысловое прозвище — лишь возможное совпадение.

Одним из небесных покровителей имени Мартин считается святой Мартин Милостивый, епископ Турский (IV век). По преданию, он сначала был римским воином, но после встречи с нищим, которому отдал половину своего плаща, принял крещение, ушёл в монахи и стал епископом. На Руси его почитали как заступника бедных и чудотворца, что добавляло имени Мартын (и его производным) дополнительный вес.

Фамилия Мартемьянов фиксируется в разных регионах России. Например, в Книге памяти Иркутской области упоминается шофёр хозчасти городской пожарной охраны Мартемьянов Василий Матвеевич, родившийся в 1896 году в Иркутске. Известен и писатель Тимофей Афанасьевич Мартемьянов (1861 год рождения). Его первые работы печатались в «Орловском Вестнике», «Биржевых Ведомостях» и «Северном Курьере», а в «Историческом Вестнике» вышли статьи: «Правда о Камаринской и Барыне», «Из истории цензуры русской народной песни», «Крепостное право в народной словесности». Таким образом, фамилия Мартемьянов — не просто память о предке с необычной формой имени, но и след живой народной традиции переделывать церковные имена на свой лад.