Фамилия Мартынова — одна из тех, что сразу указывает на имя предка. В основе лежит имя Мартын, народная форма церковного имени Мартин. Латинское Martinus означает «воинственный» или «посвященный Марсу», римскому богу войны. Однако церковная традиция связала это имя с другим образом: святым Мартином Милостивым, епископом Турским, который в IV веке прошёл путь от римского воина до монаха и чудотворца. Его день памяти — 25 октября (12 октября по старому стилю). Другой небесный покровитель — Мартин Исповедник, папа римский, умерший в Крыму в VII веке; его поминают 27 апреля. Таким образом, фамилия Мартынова буквально означает «потомок Мартына».

Русский суффикс -ов указывает на принадлежность: Мартынова — «дочь» или «жена Мартына». Женская форма фамилии не меняет сути: в основе всё то же мужское прозвище по имени отца.

В истории России известно несколько дворянских родов Мартыновых. Один из них вёл начало от выходца из Польши Саввы Мартынова, перешедшего на московскую службу в 1460 году. Этот род попал в VI часть родословных книг сразу четырёх губерний: Калужской, Московской, Пензенской и Харьковской. Герб Мартыновых внесён в III часть «Общего гербовника дворянских родов Всероссийской империи»: в серебряном верху — рука в латах с мечом, выходящая из облака; в голубом низу — полумесяц рогами вверх и три серебряные шестиугольные звезды. Намёт серебряный с голубой подкладкой.

Среди известных носителей фамилии — генерал-адъютант императора Николая I Павел Петрович Мартынов (1782–1838), его брат сенатор Николай Петрович (1793–1856), филолог и ботаник Иван Иванович Мартынов (1771–1833), живописец-пейзажист Андрей Ефимович Мартынов (1768–1826) и уральский казак, генерал-майор Василий Патрикеевич Мартынов (1863–1920), последний войсковой атаман Уральского казачьего войска.