Фамилия Мартымянов — один из тех случаев, когда на слух она кажется громоздкой и редкой, но на деле построена по простой и распространённой модели. Её основа — крестильное имя Мартын (каноническая форма Мартин, от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», «воинственный»). В русском просторечии имя обросло уменьшительными формами: Мартыня, Мартынята. От одной из них — Мартыня — и пошла фамилия.

Ключевая особенность здесь — суффикс -янов-. В русской ономастике фамилии на -янов (Мартымянов, Степанянов, Ильянов) обычно указывают на «искажённую» или диалектную форму отчества. Если бы фамилия образовалась от полного имени Мартын, мы бы получили Мартынов. Суффикс -ян- (а точнее, -янов) часто появляется в южнорусских и украинских говорах, где имя произносили как «Мартын» с мягким «н» на конце — отсюда и форма «Мартыня». То есть Мартымянов буквально означает «сын Мартыни» (маленького Мартына или Мартына в ласкательном варианте).

Есть и вторая, более прозаичная версия, которую поддерживают некоторые исследователи русских фамилий (например, ссылаясь на принципы, описанные у Б. Унбегауна). В документах XVII–XVIII веков фамилии нередко записывали на слух, и писцы могли «испортить» окончание: вместо Мартынов написать Мартынянов, а затем и Мартымянов. Так что фамилия могла возникнуть как канцелярский сбой, который закрепился в роду. В пользу этого говорит тот факт, что фамилия почти не встречается в старых боярских списках, а бытует в основном среди крестьян и мещан Центральной России и Поволжья.

Географически фамилия редкая. По данным современных телефонных справочников и баз переписи, основная масса Мартымяновых сосредоточена в Чувашии, Татарстане и Нижегородской области. Это косвенно подтверждает версию об искажении: в зонах смешанного русско-тюркского населения фамилии часто записывали с «чужим» для русского уха суффиксом. Сравните с однокоренными: Мартынов (самая частая форма), Мартынцев, Мартынюк, Мартынишин. Мартымянов стоит особняком — именно из-за двойного «мягкого» суффикса.

Никакого особого сословного статуса или знаменитых исторических деятелей с этой фамилией не зафиксировано. Это типичная «отчество в третьем поколении», которое застыло в виде, случайном для письмоводителя, но родном для семьи.