Фамилия Мартонов — относительно редкая, и её происхождение не лежит на поверхности. Самая правдоподобная версия связывает её с крестильным именем Мартин (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», «воинственный»). В русском быту имя Мартин часто переделывали в народные формы Мартон или Мартя. От одной из таких обиходных форм — Мартон — и появилась фамилия Мартонов. Суффикс -ов указывает на типичную русскую модель: «чей сын?» — Мартонов, то есть потомок человека по имени Мартон.

Однако есть и другой путь. В южных и западных регионах России, а также на Украине фамилия могла возникнуть от прозвища Мартон. В курских, воронежских говорах словом «мартон» иногда называли нерасторопного, медлительного человека. Слово это, скорее всего, диалектное, попавшее в речь из тюркских языков (сравните с татарским «мардан» — «вялый»). В этом случае фамилия Мартонов — это не «сын Мартина», а «внук Медлительного».

С точки зрения географии, фамилия Мартонов встречается не повсеместно, а очагами. Больше всего её носителей в Центральной России (особенно в Тульской и Рязанской областях) и на юге — в Краснодарском крае и Ростовской области. Это наводит на мысль, что в разных регионах фамилия могла возникать независимо и по разным причинам: где-то от церковного имени, а где-то от местного прозвища.

Фамилия недворянская, типично крестьянская или мещанская. В дореволюционных переписях Мартоновы чаще всего числились государственными крестьянами или однодворцами — особым сословием, жившим на южных границах государства и сочетавшим земледелие с военной службой. Поэтому предки современного Мартонова могли быть как потомками человека с «воинственным» именем Мартин, так и выходцами из южных сел, где меткое прозвище Мартон закреплялось за целым родом.