Фамилия Мартяхины (в документах чаще встречается вариант Мартяхин) образована от просторечной формы крестильного имени Мартин. В латинском языке Martinus означает «посвящённый Марсу» или «воинственный» — римский бог войны дал имя, которое затем разошлось по всей Европе благодаря святому Мартину Турскому. В русской традиции имя обросло уменьшительными вариантами: Мартя, Мартяха, Мартюха. Фамилия Мартяхин — это буквально «чей?» — «Мартя́хин сын», то есть потомок человека по прозвищу Мартяха.

Словообразовательная модель типична для северных и центральных русских говоров. Суффикс -ин указывает на принадлежность к конкретному лицу, а основа на -ях- (-ях-) характерна для имён, которые в быту «обкатывали» до ласково-пренебрежительной формы (ср. Степан — Степаха, Иван — Иваха). Такие фамилии чаще всего встречались в крестьянской и мещанской среде, где церковное имя редко употребляли в полном виде.

Географически фамилия Мартяхин привязана к южнорусским и поволжским областям: по данным переписей XIX–XX веков, носители сосредоточены в Тамбовской, Рязанской, Пензенской губерниях и в Нижнем Поволжье. Встречается и украинский вариант Мартяк, но фамилия на -ин остаётся великорусской.

Отдельно стоит сказать о написании. Вариант Мартяхины с буквой «я» во втором слоге — результат диалектного «яканья»: в некоторых говорах безударное «е» звучит как «я» (Мартяха вместо Мартеха). В документах XIX века можно найти обе формы, но современная орфография закрепила «я» под ударением, что и дало фамилию Мартяхины.

О точном времени возникновения говорить трудно: процесс формирования фамилий у крестьян растянулся до середины XIX века. Однако сама модель — имя + суффикс -ин — сложилась ещё в XV–XVI веках. Поэтому Мартяхины — не древний боярский род, а типичная «фамилия-отчество», которая закрепилась за несколькими неродственными семьями в разных уездах.