Фамилия Мартирисова — женская форма от Мартирисов, и её ядро лежит не в славянском, а в греческом именослове. Основа — крестильное имя Мартирий (греч. μαρτύριον — «свидетельство», в церковном контексте «мученичество»). В святцах известно несколько святых с этим именем, например, преподобный Мартирий Зеленецкий, что делало имя допустимым в русской православной среде, хоть и редким.

Суффикс -ов в фамилии указывает на типичную модель «чей?»: Мартирис — это сын или потомок человека по имени Мартирий. Фактически перед нами притяжательное прилагательное, которое закрепилось как родовое прозвание. Форма Мартирисов (с двумя «р») — более точная, книжная; в быту имя нередко упрощали до Мартир, Мартиря, что дало бы фамилии Мартиров, Мартирев. Сохранение полной формы говорит о том, что предок, вероятно, был грамотным человеком (священник, дьячок, псаломщик), либо фамилию фиксировали по церковным документам, где имя писали без искажений.

Женский вариант Мартирисова — это не самостоятельная фамилия, а грамматическая форма, указывающая на принадлежность к роду Мартирисовых. В дореволюционной России она почти не встречалась в метриках как отдельная запись: женщину писали как «Мартирисова» (жена или дочь Мартирисова). Как самостоятельная фамилия она закрепилась в советское время, когда паспортная система унифицировала женские формы.

Географически фамилия Мартирисов (и её производные) тяготеет к северным и центральным губерниям России, особенно к территориям, где почитали преподобного Мартирия Зеленецкого — Новгородская, Псковская, Тверская земли. Встречается она крайне редко, что логично: само имя Мартирий никогда не было массовым. Если сравнить с однокоренными, то Мартинов (от Мартин) встречается в десятки раз чаще, а Мартирисов остался уделом узкого круга семей, возможно, связанных с монастырским или приходским духовенством.

В современной России фамилия Мартирисова — штучная, почти уникальная. Её носительницы могут с высокой вероятностью проследить род по линии священнослужителей или крестьян, живших вблизи монастырей, где имя Мартирий было в ходу.