Фамилия Мартыненко принадлежит к распространённому типу украинских фамилий на -енко. Этот суффикс, изначально означавший «сын» или «потомок», активно формировал фамилии в XVI–XVII веках на землях современной Украины. Поэтому Мартыненко — это буквально «сын Мартына». В основе фамилии лежит мирское имя Мартын, разговорная форма крестильного православного мужского имени Мартин. Каноническая форма имени — Мартин — переводится с латинского языка как «посвященный Марсу» или «воинственный» (от имени древнеримского бога войны). Таким образом, первый носитель фамилии был потомком человека, носившего это имя.

Существует и другая, менее убедительная гипотеза. Согласно ей, фамилия Мартыненко образована не от имени, а от прозвища Мартын, которое могло указывать на род занятий предка. В некоторых говорах «мартыном» называли рыбака или птицу (например, чайку). Однако эта версия слабее: подавляющее большинство фамилий на -енко образовано именно от крестильных имён, а не от нарицательных слов. Кроме того, имя Мартын было очень популярно в народной среде, что подтверждается множеством однокоренных фамилий: Мартынов, Мартынюк, Мартынчук, Мартынец. Все они восходят к одному источнику — имени Мартин, которое Церковь почитает в лике святых (например, святитель Мартин Милостивый, папа Римский). Поэтому версия с именем выглядит гораздо правдоподобнее.

Географически фамилия Мартыненко наиболее характерна для левобережной Украины, особенно для Полтавской, Черниговской и Сумской областей, а также для южных регионов России, куда переселялись украинские казаки и крестьяне.