Фамилия Мартемянова образована от мужского имени Мартемьян. Это народная форма канонического имени Мартиниан, которое носил один из раннехристианских святых. В русском языке имя прошло несколько ступеней переработки: греческое Мартинианос превратилось в Мартиниан, затем в просторечии — в Мартемьян. Такая цепочка — обычное дело для имён, которые в крестьянской и посадской среде «обкатывались» до более привычного звучания. Притяжательный суффикс -ов указывает на принадлежность: Мартемьянов сын, то есть потомок человека по имени Мартемьян.

В документах XVII века имя Мартемьян встречается нередко. Например, в переписных книгах Вологды и Устюга Великого записаны крестьяне и посадские люди Мартемьянки, Мартемьяновы. Фамилия закрепилась преимущественно в северорусских и сибирских говорах — там, где шло активное освоение земель в XVII–XVIII веках. Сейчас носители фамилии чаще всего живут в Архангельской, Вологодской областях, а также в Пермском крае и на Урале.

Интересная деталь: у фамилии есть вариант написания через «и» — Мартимянов. Он фиксируется в старых метрических книгах, но встречается реже. Это не ошибка, а след той же народной этимологии: имя Мартиниан в некоторых говорах осмыслялось как «мартовский» или связанное с месяцем мартом, отсюда и колебание гласной.

В отличие от фамилий на -ин (Петин, Сонин), модель на -ов здесь типична для полных форм мужских имён. Мартемьян — не уменьшительное, а полное имя, поэтому и суффикс соответствующий. Среди однокоренных фамилий — Мартемьянов, Мартимянов, а также редкая форма Мартемьянкин, образованная от той же основы, но уже с уменьшительным суффиксом.

Если кратко: предки носительницы фамилии Мартемянова — скорее всего, крестьяне или посадские люди Русского Севера, а сама фамилия ведёт родословную от имени, которое в церковных святцах звучало иначе, чем в повседневной речи.