Фамилия Мартиновы — редкий случай, когда фамилия на -ов образована не от полного канонического имени, а от его усечённой разговорной формы. В основе лежит имя Мартин (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», «воинственный»). В русской народной среде это имя часто сокращали до Мартя или Марти, но фамилия пошла от варианта Мартин — без перехода «т» в «ть», что характерно для южных и западных говоров.

Особенность фамилии в том, что в ней сохранился твёрдый конечный согласный основы. В большинстве русских фамилий от имён на -ин (Ильин, Никитин) суффикс -ин присоединяется напрямую. Здесь же мы видим суффикс -ов, который обычно крепится к основам на твёрдый согласный или к полным формам имён. Это указывает на то, что фамилию давали не по отцу («чей ты?»), а по прозвищу или по фамильному имени рода, где имя Мартин уже воспринималось как фамильное прозвание.

По географии фамилия Мартиновы тяготеет к южнорусским и украинским территориям, а также к старообрядческим общинам, где имя Мартин было особенно распространено. В центральной России чаще встречалась фамилия Мартынов (с мягким знаком), а форма Мартинов — более архаичная, книжная, иногда связанная с духовным сословием: в семинариях давали фамилии по церковным святцам, и Мартинов могло быть семинарским вариантом, чтобы отличить носителя от многочисленных Мартыновых.

Словообразовательный спор здесь один: не путать с возможной основой от слова «март» (месяц). Версия с календарным месяцем маловероятна — прозвища по месяцам встречаются, но в русской ономастике они обычно давали фамилии через суффикс -ов напрямую (Мартов), а не через имя. Куда правдоподобнее, что Мартиновы — это потомки человека по имени Мартин, который в документах XVII–XVIII веков мог писаться и как Мартин, и как Мартын, но в конкретной семье закрепилась именно форма с твёрдым «т».