Фамилия Мартимьянова — одна из тех, где за привычным окончанием скрывается редкая основа. Она образована от имени Мартимьян, а то, в свою очередь, — производная форма от крестильного мужского имени Мартин. Латинское происхождение имени Мартин (Martinus) ведёт к римскому богу войны Марсу, поэтому исходное значение — «посвящённый Марсу», «воинственный». Но в русской народной среде античный оттенок стёрся, и Мартимьян воспринимался просто как полное, торжественное имя.

Интересна сама словообразовательная модель. Суффикс -ов (в женском роде -ова) указывает на принадлежность: Мартимьянова буквально значит «дочь (или жена) Мартимьяна». Фамилия закрепилась в форме женского рода, что типично для русских фамилий, но исходно она передавалась по мужской линии. Мужской вариант — Мартимьянов.

Мартимьян — не самая частая форма. Обычно от имени Мартин образовывали фамилии Мартинов, Мартынов. Вариант с «мьян» — результат народной переработки: имя как бы «обросло» дополнительными слогами, чтобы звучать весомее. Такие удлинённые формы (ср. Артамон от Артём, Селиван от Сильван) были особенно распространены в северных и центральных губерниях России, среди крестьян и посадских людей.

Скорее всего, основатель рода Мартимьяновых был выходцем из рабочей или крестьянской среды. Фамилия не дворянская, не книжная — она сложилась в среде, где имя Мартимьян давали по святцам, но в быту переделывали на свой лад. Потомок человека по имени Мартимьян со временем получил фамилию Мартимьянова, и она закрепилась как родовое прозвание. В документах XVII–XVIII веков такие фамилии встречаются в переписях крестьян и однодворцев, особенно в рязанских и тамбовских землях.

Ошибочно связывать фамилию с латинским martius («мартовский») или с месяцем мартом — это народная этимология. Корень здесь именно антропонимический, от личного имени, а не от календаря.