Фамилия Мартилова — редкий случай в русской ономастике, где суффикс указывает на женскую линию, а основа — на мужское имя. В отличие от массовых фамилий на -ов/-ев, которые образуются от отчества отца, форма на -ов здесь стоит в женском роде. Это значит, что фамилия Мартилова изначально принадлежала женщине: дочери или, что вероятнее, жене человека по фамилии Мартилов. Такая модель встречается, когда фамилию официально закрепляли за вдовой или когда в документах записывали женщину как самостоятельную главу семьи.

Основа фамилии — мужское имя Мартил. Это неканоническая, народная форма крестильного имени Мартирий (от греческого «мученик»). В русских говорах имя упрощалось: Мартирий превращалось в Мартил, Мартя, Мартюха. Суффикс -ил характерен для уменьшительно-ласкательных форм (как Данил, Кирил, Михаил), так что Мартил — это «маленький Мартирий» или просто обиходный вариант. Фамилия Мартилов (мужская) означала бы «сын Мартила», а Мартилова — «жена или дочь Мартилова».

Географически фамилия редкая, её корни стоит искать в северных и центральных губерниях России, где были сильны старообрядческие общины. Имя Мартирий почиталось в старообрядчестве (святой Мартирий Зеленецкий), и в среде староверов могли сохраняться архаичные формы имени, не вошедшие в общенародный обиход. В официальных метриках XIX века Мартиловы встречаются единично, в основном в Архангельской, Вологодской и Костромской губерниях.

Словообразовательная модель на -ова при мужской основе на твёрдый согласный — типична для русских фамилий, но сочетание с редким именем Мартил делает фамилию уникальной. Она не связана с мученичеством напрямую (через Мартирий), а отражает бытовое, домашнее прозвище человека, которого в семье звали Мартилом. По сути, это фамилия-память о предке, носившем редкое церковное имя в его простонародной версии.