Фамилия Мартимьянов происходит от имени Мартимьян — одной из народных форм крестильного имени Мартин. Имя Мартин латинского происхождения, его основа — Mars, родительный падеж Martis: так звали древнеримского бога войны. Поэтому значение имени — «посвящённый Марсу» или «воинственный». В русской традиции имя обросло уменьшительными и производными вариантами, и Мартимьян — один из них. Человек, носивший это имя, дал начало фамилии: его потомков называли «Мартимьяновы», то есть «дети Мартимьяна».

Модель образования типична для русских фамилий: к основе имени прибавили суффикс -ов, который указывает на принадлежность. Такая схема была особенно распространена в XVI–XVII веках, когда фамилии закреплялись за крестьянскими и посадскими родами. В отличие от дворянских фамилий на -ский, фамилии на -ов редко указывали на владение землёй — скорее на отчество.

Интересно, что имя Мартин на Руси встречалось реже, чем в Западной Европе, но его производные — Мартын, Мартемьян, Мартимьян — дали целое гнездо фамилий: Мартынов, Мартемьянов, Мартимьянов. Форма Мартимьянов встречается реже остальных, что может говорить о локальном бытовании: возможно, она закрепилась в определённых регионах, например, в северных или центральных губерниях, где сохранялись архаичные варианты имён.

С точки зрения ударения, фамилия произносится с ударением на второй слог: Мартимья́нов. Встречающиеся варианты написания с одной «н» или с «и» вместо «ь» — результат неграмотности при записи в метрических книгах, а не самостоятельная ветвь. Никакой другой версии происхождения, кроме как от имени Мартимьян, у этой фамилии нет: корень прозрачен, а суффикс однозначно указывает на отчество.