Фамилия Мартиров — один из тех случаев, когда внешне русская модель образования скрывает не русскую, а армянскую основу. Если смотреть на окончание, то напрашивается вывод: перед нами типичная отчество на «-ов». Но в русском языке нет корня «мартир» в значении имени или прозвища, а вот в армянском он есть и означает «мученик» (от греческого μάρτυς — свидетель, в христианском контексте — мученик за веру).

Скорее всего, фамилия образована от армянского имени Мартир (Мартирос) — аналога русского имени Мученик, которое давали в память о святых или как обетное имя. В армянской традиции такие имена не были редкостью. При переходе в русскую среду фамилию русифицировали по стандартной модели: к основе «Мартир» добавили русский суффикс принадлежности «-ов», означающий «сын Мартира» или «из рода Мартира». Так армянская фамилия Мартирян или Мартиросян могла превратиться в Мартиров.

Географически фамилия тяготеет к югу России и регионам, где исторически селились армяне: Ростовская область, Ставрополье, Краснодарский край, а также Закавказье. Встречается и в центральной России, но реже. Встречается вариант написания с одной «р» — Мартиров, хотя изначально в армянском произношении двойная «р» не обязательна.

В отличие от фамилий на «-ян», которые остались чисто армянскими, Мартиров — пример адаптации: носитель фамилии мог обрусеть уже в XVIII–XIX веках, когда армянские переселенцы получали документы на русский манер. Суффикс «-ов» здесь не указывает на сословие, а лишь на механизм записи фамилии в русской канцелярии. Связь с христианским мученичеством в основе имени сохранилась, но для самого носителя фамилии сегодня это скорее историческая деталь, чем вероисповедный факт.