Фамилия Мартемьянова образована от крестильного мужского имени Мартин (Мартын). В переводе с латыни это имя означает «посвящённый Марсу» или «воинственный», но в быту оно приобрело просторечную форму — Мартемьян. Именно она, а не прямая церковная форма, и легла в основу фамилии. Такая модель типична для русских фамилий: полное звучание имени-основы сохранялось в семье и передавалось детям, а суффикс -ов указывал на принадлежность («чей потомок?» — Мартемьянов).

Существует и вторая версия, хотя она менее убедительна. Согласно ей, в основе лежит не имя, а прозвище от слова «мартын» — так в некоторых говорах называли рыбу или птицу. Если предок был рыбаком или имел какое-то отношение к промыслу, его могли прозвать Мартын. Однако в случае с фамилией Мартемьянова более вероятно происхождение от имени: форма Мартемьян слишком специфична для прозвища, а вот как народный вариант Мартина она встречается повсеместно.

Словообразовательный суффикс -ов указывает на то, что фамилия закрепилась в среде, где преобладала модель отчества на -ов (центральные и северные регионы России). Это отличает её, например, от фамилий на -ин (Ильин, Мартынин), которые образовывались от имён на -а/-я. Здесь же основа оканчивается на твёрдый согласный, что и дало суффикс -ов.

Таким образом, носитель фамилии Мартемьянова — потомок человека, которого в быту звали Мартемьяном. Обычно так называли в семьях, где придерживались православной традиции, но не чурались народного произношения имени.