Фамилия Мартьянцев образована от крестильного имени Мартьян. Это народная, бытовая форма канонического церковного имени Мартиниан (от латинского Martinianus — «принадлежащий Мартину», «марсов»). В русской традиции имя Мартиниан, как и многие другие, упрощалось в произношении: выпадал звук «и», и получалось Мартьян. От этой формы с помощью суффикса принадлежности -ов- и был образован патроним (отчество), который затем закрепился как фамилия. Суффикс -ц- в данном случае — вариант фамильного суффикса -ов, характерный для северных и северо-восточных русских говоров (сравните: Кузнецов — Кузнецов, но в некоторых регионах писали Кузнецо́в). Таким образом, Мартьянцев буквально означает «сын Мартьяна» или «потомок Мартьяна».

В отличие от более распространённой фамилии Мартьянов, форма с суффиксом -цев встречается реже и имеет чёткую региональную привязку. Такие фамилии типичны для старообрядческого населения Поморья, Приуралья и Сибири — территорий, куда переселялись выходцы из Новгородской и Вятской земель. Именно там закрепилась модель образования фамилий с помощью суффикса -ец/-ц, которая в центральной России постепенно вытеснялась более привычным -ов.

Само имя Мартиниан в святцах связано с несколькими раннехристианскими святыми, но в народной среде оно не было особенно популярным. Фамилия Мартьянцев, скорее всего, возникла в среде крестьян или посадских людей, где имя Мартьян (в отличие от редкого полного варианта) встречалось чаще. Носители фамилии, вероятно, были потомками одного человека по имени Мартьян, который жил в XVI–XVII веках, когда на Русском Севере активно формировались семейные прозвания. Спорных версий происхождения у фамилии нет: корень прозрачен, а словообразовательная модель типична для русских патронимических фамилий.