Основой фамилии Мартемьянова послужило имя Мартемьян. В основе фамилии Мартемьянова лежит крестильное православное мужское имя Мартин (Мартын), которое в переводе с латинского означает «посвященный Марсу, воинственный». Основой же для фамилии послужила его просторечная форма Мартемьян. Согласно другой, менее убедительной гипотезе, фамилия Мартемьянова образована от слова «мартын», т.е. Это существительное могло лечь в основу прозвища Мартын, которое, вероятно, указывало на род занятий предка (например, рыбалка). Таким образом, потомок человека, обладающего именем Мартемьян, со временем получил фамилию Мартемьянова.