Фамилия Мартьяненко — яркий пример украинской модели фамилии на -енко, которая пришла из южнорусских и малороссийских земель. Суффикс -енко в украинской ономастике выполняет ту же роль, что русские -ов/-ев или -ин: он указывает на родство, обычно по отцу. Дословно Мартьяненко — это «сын Мартьяна», то есть потомок человека по имени Мартьян. Основа фамилии — мужское крестильное имя Мартьян, которое в православных святцах известно в двух формах: Мартьян и Мартиниан. В народной среде имя часто путали с Мартыном, но этимологически это разные имена: Мартьян восходит к латинскому Martinianus — «принадлежащий Мартину», «посвященный Марсу». На Руси и в Украине имя бытовало в простонародной огласовке, без книжного ударения, что и дало форму Мартьян.

Географически фамилия Мартьяненко тяготеет к левобережной Украине и южным областям России, куда в XVIII–XIX веках переселялись украинские крестьяне и казаки. В отличие от русских фамилий на -ов, которые закреплялись за целым родом, украинские фамилии на -енко долго сохраняли прозрачную «патронимическую» структуру: Мартьяненко — это не дворянский род, а указание на то, что предок носителя был Мартьяном. В метрических книгах XIX века такие фамилии часто менялись при переезде: сын Мартьяна мог записаться Мартьяненко, а внук — уже Мартьянов, если семья оказывалась в великорусской среде.

Интересная деталь: в некоторых говорах имя Мартьян звучало как Мартян, с утратой мягкого знака, и от него образовались фамилии Мартяненко и Мартянов. Но форма с «ь» — Мартьяненко — более архаичная и точнее передаёт церковнославянское произношение имени. При этом в современных документах встречаются варианты Мартианенко и даже Мартьянов, но написание через «ть» — основное и исторически верное для украинской традиции.

Сословно фамилия почти всегда была крестьянской или казацкой. В списках Войска Запорожского XVII–XVIII веков встречаются казаки с прозвищем Мартьян, но фамилии на -енко тогда ещё не были закреплены окончательно. К XIX веку, когда крепостное право на Украине оформило фамилии, Мартьяненко стала наследственной. Носители этой фамилии не принадлежали к знати — это потомки свободных или государственных крестьян, ремесленников и мелких служилых людей. В советское время фамилия не меняла форму, хотя в паспортных столах иногда «русифицировали» окончание, но Мартьяненко сохранила исходный украинский вид.