Фамилия Мартыченко — украинская по модели образования и русская по способу бытования. Её основа — крестильное имя Мартын (каноническая форма Мартин, от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», «воинственный»). Украинский суффикс -енко указывает на «малого» или «потомка»: Мартыченко буквально значит «сын Мартына» или «маленький Мартын». Такие фамилии на -енко массово закрепились в Поднепровье, на Левобережной Украине и Слобожанщине в XVI–XVII веках, когда отчество из бытового прозвания превратилось в наследственное родовое имя.

Интересно, что в русском языке фамилия Мартыченко нередко соседствует с более ранними Мартынов и Мартынцев. Разница — в географии и времени: Мартыновы — это великорусские фамилии на -ов, возникшие в центральных и северных землях, а Мартыченко — юго-западная ветвь того же корня. Встречаются и варианты с чередованием согласных: Мартыч, Мартыченков (гибридная форма, где к украинскому суффиксу добавили русский -ов). В документах XVIII–XIX веков фамилию могли записать по-разному: Мартыченко, Мартыченков, а иногда и Мартиченко — из-за колебаний в произношении безударного «ы».

Носитель фамилии Мартыченко, скорее всего, потомок казака или крестьянина из центральной или восточной Украины. Сословной элиты эта фамилия не касалась: в дворянских родословных книгах она почти не встречается, зато часто попадается в ревизских сказках Полтавской, Харьковской и Черниговской губерний. Со временем фамилия распространилась по всей России и Беларуси, но сохранила отчётливый украинский акцент в словообразовании — суффикс -енко выдаёт происхождение безошибочно.