Фамилия Мартыенова — вариант, в котором ударение и суффикс сразу выдают нерусскую огласовку. В отличие от привычного Мартынов (от канонического имени Мартин через форму Мартын), здесь мы видим суффикс -енко, который в русской записи часто превращался в -енов или -енова. То есть Мартыенова — это русифицированная украинская или белорусская фамилия, образованная по модели «имя + -енко» (Мартыненко), но с заменой конечного -о на -а и добавлением русского окончания -ова для женского рода. В мужском варианте фамилия звучала бы как Мартыенов.

Основа та же — крестильное имя Мартин (в просторечии Мартын), которое восходит к латинскому Martinus — «посвящённый Марсу», «воинственный». На юге и западе Российской империи, где украинское влияние было сильным, фамилии на -енко считались патронимическими и буквально означали «сын Мартына». Когда носители переселялись в великорусские губернии или записывались в официальные документы, окончание нередко подгоняли под привычную русскую форму -ов, отсюда и возникла двойная запись: Мартыненко → Мартыенов.

Интересная деталь: написание через «е» (Мартыенова) встречается реже, чем через «и» (Мартыненкова), и может указывать на конкретный регион — например, Курскую, Воронежскую или Харьковскую губернию, где в говорах «е» после твёрдого согласного звучало отчётливее. В метрических книгах XIX века такую фамилию нередко записывали на слух: Мартеенова, Мартиенова — варианты были разными, пока не закрепился единый литературный облик.

Сословно Мартыеновы — в основном крестьяне и мещане, реже казаки. В списках однодворцев южных уездов эта фамилия встречается с конца XVIII века. Знатных дворянских родов с такой фамилией нет, что подтверждает её народное, «сыновье» происхождение.