Фамилия Мартыничев образована по редкой, но показательной для русского Северо-Запада модели. Она происходит от полной формы имени Мартын (каноническое Мартин, от латинского Martius — «посвящённый Марсу», богу войны). К основе добавили суффикс -ичев, который в XIX веке чаще встречался в псковских, новгородских и тверских говорах, чем в центральной России. В отличие от массового -ов/-ев, суффикс -ичев указывает на прямое отчество: Мартыничев буквально значит «сын Мартына».

Интересно, что фамилия не прошла через типичную для юга и востока страны стадию усечения до Мартынов или Мартынцев. Она сохранила архаичную трёхчленную структуру, где -ич- — это древний патронимический суффикс, а -ев — уже позднейший фамильный. Такие формы в XVIII–XIX веках нередко закреплялись за крестьянами и мещанами северных губерний, где при переписях старались точно передать отчество.

Вероятнее всего, первый носитель фамилии был сыном человека по имени Мартын, которого в быту могли звать Мартыничем (по отцу). Когда в середине XIX века началась массовая фиксация фамилий, эту форму и записали в документы. Прозвищной основы — ремесла или внешности — здесь нет, только родство.

Стоит отметить, что в некоторых говорах имя Мартын могло звучать как Мартыня, и тогда фамилия Мартыничев могла возникнуть от уменьшительной формы Мартыня с тем же суффиксом. Но это менее вероятно: ударение в фамилии устойчиво падает на второй слог (Марты́ничев), что соответствует варианту от полного имени.

Среди однокоренных фамилий Мартыничев стоит особняком: Мартынов — самая частая, Мартыненко — украинская, Мартынцев — с суффиксом принадлежности. Мартыничев же — редкий реликт северорусской ономастики, сохранивший память о том, как на Псковщине или в Вятке называли сына по отцу без упрощений.