Фамилия Мартынен — редкий случай, когда суффикс не даёт сразу понять, откуда человек родом. Обычно мы ждём «-ов», «-ин» или «-ский», а тут — «-ен». В русской ономастике такая модель почти не встречается, зато она типична для украинской фамильной системы, где суффикс «-ен» — это сокращённый вариант от «-енко». В XIX веке, при переписях и паспортизации, многие украинские фамилии на «-енко» записывали в усечённой форме: так Мартыненко мог превратиться в Мартынен. То есть перед нами не самостоятельная русская фамилия, а украинская по происхождению, адаптированная под русскую графику.

Основа фамилии — крестильное имя Мартын. Это народная форма канонического имени Мартин, которое пришло из латыни (Martinus — «посвящённый Марсу», то есть воинственный). На Руси имя было популярно среди простых сословий, особенно в южных и западных губерниях, где украинское влияние было сильнее. Соответственно, Мартынен — буквально «потомок Мартына». Суффикс «-ен» здесь работает так же, как и «-енко»: указывает на сына, младшего родственника.

Географически фамилия Мартынен встречается в основном на Украине и в пограничных с ней областях России — Курской, Белгородской, Воронежской. В центральной России она редка. Это тоже косвенно подтверждает украинский след: в XIX веке малороссийские крестьяне переселялись на свободные земли Черноземья, и фамилии оседали там вместе с ними.

В словообразовательном плане интересно, что ударение в фамилии почти всегда падает на первый слог — Ма́ртынен, а не Марты́нен. Это отличает её от более распространённой формы Мартыне́нко, где ударение смещается на последний слог. Такая акцентная модель — ещё один признак того, что фамилия прошла через русскую бюрократическую машину, где ударение часто ставили по аналогии с русскими фамилиями на «-ин» (ср. Марьин, Ильин).

Сословно Мартынены — почти всегда крестьяне или мещане. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано, что логично: имя Мартын было простонародным, а суффикс «-ен» не использовался в фамилиях знати (там предпочитали «-ов» или «-ский»). Если искать однокоренные фамилии, то рядом стоят Мартынов (русский вариант), Мартынюк (западноукраинский) и Мартынец (польский или белорусский). Мартынен стоит особняком как компактная, «обрусевшая» форма украинского оригинала.