Фамилия Мартыменко — классический пример украинской фамилии, образованной по патронимической модели с суффиксом -енко. В украинской ономастике этот суффикс означает «маленький» или «сын», то есть Мартыменко — буквально «сын Мартына». Фамилия образована от канонического имени Мартын (лат. Martinus — «посвящённый Марсу», «воинственный»), которое в русской и украинской традициях давали в честь святого Мартина Турского.

Особенность этой фамилии в том, что она сохранила «ы» в корне, в отличие от более русифицированных вариантов (Мартинов, Мартиновский). В украинском языке имя Мартын произносится с твёрдым «ы», что и закрепилось в фамилии. Географически фамилия Мартыменко тяготеет к левобережной Украине — Черниговской, Полтавской, Сумской областям. В этих регионах фамилии на -енко были основным способом именования потомков до конца XVIII века, и Мартыменко — один из сотен тысяч примеров этой продуктивной модели.

Споров вокруг происхождения фамилии нет: корень очевиден, суффикс типичен. Единственный нюанс — могла ли фамилия возникнуть от прозвища, а не от имени? Теоретически возможно, если бы существовало слово «мартын» в значении «человек из рода Мартынов», но в украинских говорах такого не зафиксировано. Правдоподобнее версия с именем: предок носителя фамилии был крещёным Мартыном, а его дети стали Мартыменками.

Сословная принадлежность у фамилии не закреплена. Мартыменко встречались и среди крестьян-казаков (особенно на Полтавщине, где казацкие фамилии на -енко были массовыми), и среди мещан. В XIX веке, после ревизий, фамилия могла перейти и в другие сословия, но по умолчанию её носители — потомки свободных или зависимых крестьян, получивших фамилию от отца по имени.

В написании фамилии возможна вариативность: в дореволюционных документах встречается Мартыменко (с твёрдым знаком) и Мартименко (под влиянием русского произношения). Современная норма — Мартыменко, с буквой «ы», но в паспортах некоторых носителей может быть зафиксирован вариант через «и», если предки мигрировали в регионы с акающим говором.