Фамилия Марценко — типичный пример украинской модели образования фамилий с суффиксом -енко, который в XVI–XVII веках означал «сын», «потомок» или «маленький». В основе фамилии лежит имя Марк — каноническое христианское имя, пришедшее из латыни (Marcus, от Mars — «посвящённый богу войны Марсу»). Таким образом, Марценко буквально значит «Марков сын», «потомок Марка». Украинский суффикс -енко здесь конкурирует с русским патронимическим -ов/-ев, и в случае с Марценко мы видим именно южнорусскую (украинскую) традицию.

Однако есть нюанс: в украинском языке имя Марк даёт форму «Марко», от которой и образуется Марценко. Если бы в основе лежало полное имя Марк, ожидалась бы форма Марченко (через чередование к/ч). Марценко же сохраняет ц, что указывает на уменьшительную или народную форму — Марко, Марцо. В белорусской традиции встречается аналогичное Марцэвич, а в польской — Marcewicz. Географически фамилия Марценко распространена прежде всего на Левобережной Украине, в Полтавской, Черниговской, Сумской областях, а также среди потомков казачества.

Есть и вторая, менее вероятная версия: от прозвища Марца, которое могло быть связано с диалектным глаголом «марцать» — чавкать, хлюпать, или с польским marznąć — мёрзнуть. Но ономасты склоняются к патронимической основе от имени Марк, так как это объяснение проще и подтверждается массой аналогичных фамилий (Стеценко от Стець — Степан, Гриценко от Гриць — Григорий). В словаре Б. Унбегауна «Русские фамилии» Марценко не выделяется отдельно, но попадает в общую группу украинских фамилий на -енко, образованных от имён.

Социально фамилия Марценко не указывает на дворянское происхождение — это типичная фамилия крестьян, казаков и мещан. В реестрах запорожских казаков XVII века встречаются отдельные носители подобных фамилий, но без массового упоминания. В XX веке фамилия стала общераспространённой и встречается в России, Беларуси и странах эмиграции, хотя её украинские корни остаются бесспорными.