Фамилия Мартесюк — яркий пример западноукраинской модели образования фамилий. Её основа — имя Мартин, которое в украинском языке дало форму Мартес (через чередование «и» и «е» в безударном положении и упрощение конечного -н). Суффикс -юк указывает на «сына» или «потомка»: Мартесюк буквально значит «сын Мартеса», то есть Мартина.

Имя Мартин (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», богу войны) было очень популярно в христианском мире благодаря святому Мартину Турскому. В украинских землях оно дало множество уменьшительных и производных форм: Мартин, Мартинец, Мартиш, Мартес. Фамилия Мартесюк закрепляет именно эту, слегка изменённую народную версию имени.

Географически фамилия тяготеет к западным областям Украины — Волыни, Галиции, Полесью. Суффикс -юк особенно характерен для этих регионов, где он вытеснил более распространённые в центральной Украине окончания -енко. Встречается фамилия и на юго-востоке Польши, в исторических местах расселения украинцев. В России Мартесюки — редкие гости, их появление обычно связано с миграциями XX века.

Родственные фамилии — Мартинюк, Мартищук, Мартиш, Мартес. Все они восходят к одному корню, но различаются суффиксами, которые когда-то указывали на конкретную ветвь рода или местную произносительную норму. Например, Мартинюк — более прямая форма (от Мартин + юк), а Мартесюк — результат фонетического сдвига.

В сословном отношении носители фамилии, скорее всего, были крестьянами или мещанами. Фамилии на -юк в массе своей не дворянские: они фиксировали принадлежность к общине, а не к шляхте. В метрических книгах XIX века Мартесюки встречаются как хлеборобы, ремесленники, изредка — мелкие церковнослужители.

Спорных версий у фамилии немного. Иногда её пытаются связать с румынским или молдавским корнем (ср. Martes — «куница»), но это маловероятно: ареал бытования фамилии — украинско-польское пограничье, где имя Мартин было основой для сотен фамилий. Версия с животным — натяжка, лишённая массовых подтверждений.