Фамилия Мартимьян — это редкий случай, когда в основе лежит не просто имя, а его особая народная форма. В её основе лежит каноническое имя Мартимиан (от латинского Martinianus — «посвящённый Марсу» или «маленький Мартин»). Однако в русском просторечии это имя часто переделывали, и Мартимьян — один из таких вариантов, наряду с Мартемьяном, Мартином и Мартыном. Фамилия образована напрямую от этого имени с помощью типичного русского патронимического суффикса -ов, который означает «сын» или «потомок»: Мартимьян → Мартимьянов. То есть, первый носитель фамилии был сыном человека по имени Мартимьян.

Главная особенность этой фамилии — её нехарактерный для русского языка финальный элемент «-ьян». В отличие от множества фамилий на -ян (армянских или восточных), здесь это часть имени, а не суффикс. Словообразовательная модель такая же, как у фамилий Ильин, Фомин или Сидоров, но основа звучит экзотично, что часто сбивает с толку при попытке определить происхождение на слух. В старых документах можно встретить написание «Мартимьяновъ» с твёрдым знаком на конце, что подтверждает её исконно русскую, а не иноязычную природу.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным областям России, особенно к бывшим Вологодской, Архангельской и Вятской губерниям. Там имя Мартимьян (в форме Мартемьян) было распространено среди крестьян и посадских людей. В переписных книгах XVII–XVIII веков нередко встречаются крестьяне Мартемьянко или Мартимьянко — это уменьшительные формы, от которых позже и пошли фамилии. Социально носители фамилии в подавляющем большинстве были крестьянами или мещанами, дворянских родов с такой фамилией практически не зафиксировано.

В отличие от фамилий на -ов, образованных от полных имён (Иванов, Петров), Мартимьянов стоит в ряду тех, где имя-основа уже само по себе было редким и диалектным. Это делает фамилию не просто указанием на отца, а маркером определённой языковой среды: её носители происходят из мест, где имя Мартимьян было в ходу, а не из столичных или южных регионов, где предпочитали более привычные формы того же имени — Мартын или Мартин.