Фамилия Мартинихина — женская форма от Мартинихин, и её разговорный суффикс -ихин сразу выдаёт географию и бытовой контекст. В русской ономастике фамилии на -ихин (и -ихина) характерны для северных и центральных областей России, особенно для Архангельской, Вологодской, Костромской губерний. Они образуются от прозвищ или имён через притяжательное прилагательное: «чей?» — Мартинихин, то есть «сын или потомок Мартинихи». Сама Мартиниха — это не имя, а прозвище женщины по мужу или отцу: Мартин, Мартиний или разговорное Мартиня.

Основа фамилии восходит к каноническому имени Мартин (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», бога войны). В русской народной традиции имя Мартин было нередким, но чаще встречалось в простонародной форме Мартын, отсюда и фамилии Мартынов, Мартыненко. Вариант Мартинихин — более редкий, он фиксирует диалектное произношение с «и» в корне (Мартин вместо Мартын) и патронимический суффикс -ихин, который указывает на принадлежность к роду через жену или мать. В крестьянской среде женщину часто называли по мужу: «Мартиниха» — жена Мартина, а её дети получали прозвище Мартинихины.

Версия о происхождении от фамилии Мартинихина как «дочь Мартинихи» (то есть невесты или вдовы) правдоподобнее, чем связь с редким полным именем Мартиник. Модель на -ихин типична для северорусских говоров, где так образовывали фамилии даже от женских прозвищ, и это отличает Мартинихину от более распространённых Мартыновых или Мартиновых. В документах XVII–XVIII веков подобные фамилии встречаются в переписных книгах Русского Севера, но конкретных записей о Мартинихиных в открытых источниках мало — фамилия остаётся локальной и нечастотной.

Социально предки носительницы фамилии, скорее всего, были крестьянами или ремесленниками из северных регионов. Суффикс -ихин не характерен для дворянских родов, которые предпочитали -ов/-ев или -ский. В современной России фамилия Мартинихина редка, её можно встретить в основном в Архангельской области, Карелии и среди потомков переселенцев в Сибирь. Ударение, по правилам русских фамилий на -ина, падает на второй слог: Мартини́хина.