Фамилия Мартененко — один из характерных примеров украинской фамильной модели, которая строится на основе западноевропейского имени. Здесь сразу видны два слоя: православная славянская традиция суффикса и католическое (или протестантское) имя в корне.

В основе фамилии лежит имя Мартен — это французская или немецкая форма канонического христианского имени Мартин (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», то есть воинственный). В украинской среде имя Мартен встречалось реже, чем Мартин или Мартын, но фиксировалось в западных регионах, особенно под влиянием польской культуры (польск. Marcin). Суффикс -енко — типичный украинский патронимический показатель, означающий «сын» или «потомок». Таким образом, Мартененко буквально значит «сын Мартена» или «потомок Мартена».

Географически фамилия Мартененко тяготеет к левобережной Украине и южным областям, где украинская антропонимическая модель на -енко получила наибольшее распространение в XVII–XVIII веках. В отличие от русских фамилий на -ов, которые указывали на принадлежность отцу (чей?), украинские фамилии на -енко подчёркивали родство по крови (чей сын?). Это делало их удобными для фиксации в реестрах казаков и мещан.

Интересная деталь: написание фамилии с двумя «н» — Мартененко, а не Мартене́нко (с одним «н») — встречается в документах XIX века. Это может объясняться тем, что в исходном имени Мартен в украинском произношении удваивали «н» под влиянием польской графики (Marten — Martenowicz). Впрочем, в современных носителях чаще встречается вариант с одним «н», но исторически обе формы возможны.

Предки носителя фамилии Мартененко, скорее всего, были казаками или крестьянами из центральной Украины. Имя Мартен не было распространённым среди крепостных, поэтому можно предположить, что основатель рода получил его при крещении в честь какого-либо западного святого (святой Мартин Турский) или же это было прозвище человека, имевшего контакты с поляками или немцами. В любом случае, фамилия Мартененко — яркий пример того, как украинская языковая среда адаптировала чужеземное имя под свои словообразовательные нормы.