Фамилия Мартихина образована от просторечной формы крестильного имени Мартин. В переводе с латинского Martinus означает «посвящённый Марсу», то есть воинственный. В русской народной среде имя Мартин приобрело обиходные варианты, и один из них — Мартиха — стал основой фамилии. Суффикс -ин указывает на принадлежность: Мартихина буквально значит «жена или дочь Мартихи».

Существует и другая версия, менее убедительная. По ней фамилия связана не с именем, а с нарицательным словом «мартын» — так в некоторых говорах называли рыбу (например, мартын — вид чайки или рыба семейства лососёвых). В этом случае прозвище Мартын мог получить рыбак или торговец рыбой. Однако против этой гипотезы говорит то, что форма Мартиха прямо восходит к имени Мартин через типичный для русской антропонимии суффикс -их(а), который образовывал женские имена и прозвища от мужских основ.

Фамилия Мартихина — относительно редкая. Её можно встретить в центральных и северных областях России, где были распространены уменьшительные формы церковных имён. По сословной принадлежности носители фамилии чаще всего были крестьянами или мещанами — в среде дворянства подобные «уличные» варианты имён практически не использовались.

Словообразовательная модель типична: мужское имя Мартиха → притяжательное прилагательное Мартихин → фамилия Мартихина. Аналогично образованы фамилии Митрохина (от Митроха — Митрофан), Антипина (от Антип) и многие другие. Таким образом, основная версия — происхождение от канонического имени Мартин через народную форму — остаётся наиболее правдоподобной.