Фамилия Мартычева — женская форма фамилии Мартычев. Её основа — мужское имя или прозвище Мартыч, которое, в свою очередь, образовано от имени Мартын (латинское Martinus — «посвящённый Марсу» или «воинственный»). В русском языке имя Мартын дало множество уменьшительных и просторечных форм: Мартыня, Мартыха, Мартыш, Мартыч. Последняя — Мартыч — и легла в основу фамилии. Суффикс -ев указывает на принадлежность: Мартычев буквально означал «сын Мартыча».

Редкость фамилии в том, что она образована не от полного имени Мартын (тогда была бы Мартынов), а от краткой обиходной формы. Такие фамилии — Мартычев, Мартышев, Мартынихин — встречаются реже, чем «стандартные» Мартыновы. Они закрепляли за человеком его уличное, домашнее прозвище, которое в документах могло вытеснить официальное именование. Предок-носитель фамилии, скорее всего, звался в быту Мартычем — либо по отцу, либо по собственному характеру.

Географически фамилия Мартычев (и Мартычева) тяготеет к центральным и южным регионам России: её фиксируют в Воронежской, Тамбовской, Ростовской областях. Встречается она и на Украине, где имя Мартин также дало похожие формы. Социальный состав носителей — преимущественно крестьянский и мещанский: в XIX веке Мартычевы числились среди государственных крестьян и однодворцев южных губерний.

Двойственное написание — через «ы» или «и» (Мартычев/Мартичев) — не меняет сути: в основе лежит разговорное произношение имени. Вариант с «ы» более архаичный и точнее передаёт звучание исходного прозвища.