Фамилия Мартинова — женская форма фамилии Мартинов. В русской традиции фамилии на -ин образуются от основ, оканчивающихся на -а или -я, поэтому здесь суффикс не указывает на принадлежность к матери, как в случае с Марининым, а просто грамматически оформляет отчество или прозвище, восходящее к имени Мартин.

Основа — каноническое крестильное имя Мартин (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу» или, по другой версии, «маленький воин»). В православных святцах имя известно в форме Мартин, хотя в народе его часто переделывали в Мартын. От варианта Мартын пошли фамилии Мартынов, Мартынкин, а от церковного Мартин — Мартинов. Фамилия Мартинова встречается реже, чем массовая Мартынова, и это может указывать на то, что предок носителя был либо выходцем из духовного сословия (где чаще придерживались книжной формы имени), либо имел дело с западными или южнославянскими влияниями, где форма Martin была более привычной.

Словообразовательная модель простая: к имени Мартин добавили патронимический суффикс -ов, а затем образовали женскую форму. В старину так называли жену или дочь Мартина: «Мартинова жена» означало «жена человека по имени Мартин». Со временем фамилия закрепилась как наследственная.

Географически фамилия Мартинова не привязана к одной области — она рассеяна по всей России, но чаще встречается в регионах, где исторически сильны церковные традиции (например, в центральных губерниях). В некоторых случаях фамилия могла возникнуть и от прозвища Марти́н, которое давали человеку, родившемуся или крещённому в день святого Мартина (11 ноября по старому стилю).

В отличие от однокоренной Мартыновой, у Мартиновой нет связи с птицей мартын (чайкой) или с диалектным «мартын» в значении «простак, ротозей» — эти значения относятся именно к форме Мартын. Так что основная версия: фамилия восходит к имени Мартин, и её носительницы в родословной имеют предка, которого звали Мартином.