Фамилия Мартирозова — яркий пример армянского происхождения, прочно укоренившегося в русской фамильной системе. Она образована от мужского имени Мартирос, которое восходит к древнегреческому martys (μάρτυς) — «мученик», «свидетель». В христианском контексте это имя означало «мученик за веру» или «исповедник». В русскоязычной среде фамилия получила типичный славянский суффикс -ов- и женское окончание -а, что характерно для фамилий, которые носили в смешанных семьях или при русификации армянских родов. Мужской вариант — Мартирозов.

Ключевая особенность этой фамилии — её «отчествообразная» модель. В армянской традиции фамилии часто образовывались от имён отцов с помощью суффиксов -ян/-янц (Мартиросян). Вариант Мартирозова появился на территориях, где армянское население долго жило бок о бок с русским, — например, в Ростовской области, Ставрополье, Краснодарском крае, а также в городах, куда армяне переселялись в XIX–XX веках. Суффикс -ов здесь не добавляет нового смысла, а лишь адаптирует фамилию к русскому склонению: «чей? — Мартирозов».

Основа имени — Мартирос — встречается и в других фамилиях (Мартиросян, Мартиросов), но вариант Мартирозова с буквой «з» в корне может указывать на особенности произношения в конкретном диалекте или на ошибки при записи в метрических книгах. В некоторых говорах «с» перед гласной могла озвончаться, и писарь фиксировал услышанное. Поэтому носительницы фамилии Мартирозова могут быть потомками как выходцев из Западной Армении, так и жителей Нагорного Карабаха, где диалектные формы имени Мартирос давали иное звучание.

Сословно фамилия не привязана к дворянству или духовенству. В основном её носили крестьяне, ремесленники и купцы, переселявшиеся в южные губернии Российской империи. Известных исторических личностей с такой фамилией в открытых источниках не зафиксировано, что делает её типичной «народной» фамилией, сохранившей память о предке по имени Мартирос — человеке, чьё имя напоминало о стойкости в вере.