Фамилия Мартимовы образована от имени Мартим — народной, разговорной формы крестильного имени Мартин. Имя Мартин латинского происхождения, оно восходит к имени римского бога войны Марса, так что исходное значение — «посвящённый Марсу», «воинственный». На русской почве имя давали в честь святых, и в быту оно нередко сокращалось или видоизменялось: Мартим, Мартя, Мартун. От такой обиходной формы и пошла фамилия.

Словообразовательная модель простая и типичная для русских фамилий: к основе Мартим добавили патронимический суффикс -ов, который указывает на принадлежность — буквально «сын Мартима». В окончании -ы стоит форма множественного числа, характерная для фамилий, которые первоначально обозначали род или семью: Мартимовы — «из дома Мартимовых».

Фамилия довольно редкая. Встречается преимущественно в центральных и северных областях России, что согласуется с географией имени Мартин: в крестьянской среде оно было заметно чаще, чем в дворянской, и давало множество производных форм. Близкие по корню фамилии — Мартинов, Мартынов, Мартинович — распространены шире, но Мартимовы стоят особняком: суффикс -им в основе встречается реже, чем типовые -ын или -ин.

Точное время возникновения фамилии не установлено. Массовое закрепление патронимических фамилий у крестьян произошло после отмены крепостного права, но отдельные носители могли получить фамилию и раньше — через прозвище по отцу. Для окончательных выводов по конкретной ветви Мартимовых нужны архивные разыскания: метрические книги, ревизские сказки.