Фамилия Мартушенко — яркий образец украинской фамильной модели на -енко. В украинской ономастике суффикс -енко исторически означал «маленький» или «сын кого-то», то есть Мартушенко — это буквально «сын Мартуха». Сама основа Мартух — разговорная, народная форма крестильного имени Мартин (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», воинственный). В украинском языке имя Мартин дало целый куст уменьшительных форм: Мартусь, Мартун, Мартух. Вариант Мартух — редкий, он встречается в основном в западных и центральных областях Украины, что сразу сужает ареал фамилии.

В отличие от более частых Мартиненко или Мартыненко, фамилия Мартушенко сохранила архаичный суффикс -ух-, который в живой речи почти вытеснен формами на -ус- или -ук-. Это указывает на то, что прозвище Мартух закрепилось в документах достаточно рано, возможно, ещё в XVII–XVIII веках, когда фиксация фамилий шла по устному произношению. В реестрах казацкой старшины или метрических книгах такая форма могла быть записана писцом буквально со слов опрашиваемого.

Географически фамилия Мартушенко тяготеет к Полтавщине и Черкащине, а также встречается в южных районах России, куда переселялись украинские крестьяне в XIX веке. Носители фамилии, скорее всего, происходили из казацких или крестьянских семей: суффикс -енко в украинской традиции не был сословным, его носили и казаки, и мещане. Дворянских родов с такой фамилией в исторических источниках не зафиксировано, что подтверждает её простонародное происхождение.

В современном русском языке фамилия склоняется как существительное второго склонения: Мартушенко, Мартушенка, Мартушенку. Ударение, скорее всего, падает на предпоследний слог — Марту́шенко, хотя в разных семьях возможны варианты. Если искать однокоренные фамилии, то стоит обратить внимание на Мартух, Мартушевский, Мартуш — все они восходят к тому же имени Мартин, но через разные уменьшительные формы.