Фамилия Мартынкины образована от имени собственного, но её словообразовательная модель необычна. Вместо распространённого суффикса -ов (Мартынов) или -ин (Мартынин) здесь используется суффикс -к-ин, что указывает на двойную ступень уменьшительности. Сначала от церковного имени Мартин (в переводе с латыни — «посвящённый Марсу; воинственный») образовали уменьшительную форму Мартынка — так в быту называли ребёнка или взрослого человека в неофициальной обстановке. Затем от этого прозвища по модели «чей сын?» возникла фамилия Мартынкин: буквально «сын Мартынки». Такая цепочка — от полного имени через уменьшительное к фамилии — характерна для северных и центральных регионов России, где суффикс -к-ин встречается чаще, чем на юге.

Святой покровитель имени — Мартин Турский (он же Мартин Милостивый), который сначала служил римским воином, а затем принял монашество и стал епископом во Франции. Этот сюжет повлиял на популярность имени: на Руси Мартином называли в память о воине, ставшем смиренным пастырем. Однако имя Мартынка, а не Мартин, выдаёт простонародную, крестьянскую или посадскую среду — в дворянских родах чаще использовали полную форму.

Точное место и время возникновения фамилии Мартынкины установить сложно: процесс закрепления фамилий у крестьян затянулся до XIX века, и многие «домашние» прозвища вроде Мартынка стали официальными фамилиями только после отмены крепостного права. Тем не менее, фамилия сохранила живую разговорную форму имени, которая почти исчезла из современного именника. Встречаются однокоренные варианты — Мартынов, Мартыненко, Мартынчук, — но именно Мартынкины выделяются редкой словообразовательной конструкцией, делающей эту фамилию не просто памятником славянской письменности и культуры, а свидетельством того, как в русском языке из полного церковного имени рождалось домашнее прозвище, а затем и родовое имя.