Фамилия Мартьянова ведет начало от мужского имени Мартьян, которое на Руси было обиходной формой канонических имен Мартиан и Мартиниан. В основе этих имен лежит латинское «марциус» — «посвященный богу Марсу» или «воинственный». В православных святцах известно восемь святых с таким именем, что говорит о широком распространении имени в разных слоях населения.

Однако есть и более прозаичная версия, связанная с бытовым прозвищем. На Русском Севере и в Поволжье «мартьяном» могли называть человека, родившегося в марте. Такая практика — давать прозвища по месяцу рождения — была распространена в крестьянской среде. Обе версии не противоречат друг другу: имя Мартьян могло быть как крестильным, так и уличным прозвищем, которое со временем закрепилось в официальных документах.

Фамилия образована по стандартной модели русского языка: к основе Мартьян- добавился суффикс -ов-, указывающий на принадлежность («чей?» — Мартьянов). Окончание -а — это грамматический показатель женского рода, то есть Мартьянова — это форма, обозначающая женщину или принадлежность к роду Мартьяновых. В мужском варианте фамилия звучит как Мартьянов.

Географически фамилия Мартьяновы чаще всего встречается в Вологодской, Архангельской и Кировской областях, а также в Пермском крае. Это совпадает с ареалом бытования имени Мартьян и его производных. В переписных книгах XVII века упоминаются крестьяне Мартьяновы из Тотемского уезда — это одно из ранних документальных свидетельств фамилии.

Важно не путать фамилию с однокоренной Мартынов. Мартын — это форма имени Мартин, а Мартьян — самостоятельное имя с другим суффиксом (-иан). В народной речи эти имена могли смешиваться, но в фамилиях они разошлись: Мартыновы гораздо многочисленнее, а Мартьяновы сохранили более редкую архаичную форму.