Фамилия Мартынцев — редкий случай, когда суффикс подсказывает больше, чем корень. Основа здесь очевидна: крестильное имя Мартын, русская форма канонического Мартин (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», «воинственный»). Но фамилию образовали не через привычный суффикс -ов или -ин, а через -цев, что сразу выделяет её из ряда Мартыновых и Мартыниных.

Модель на -цев в русских фамилиях обычно указывала на принадлежность к конкретному месту или на происхождение от прозвища, образованного от названия поселения. Скорее всего, Мартынцев — это не «сын Мартына», а «выходец из Мартынцева» или «житель деревни Мартынцев». Такие названия сёл и деревень (Мартынцево, Мартынцевка) встречаются в центральной России и Поволжье, и фамилия закрепилась за крестьянами, переселившимися из одного такого места. Словообразовательная цепочка выглядит так: Мартын → Мартынцев (житель) → Мартынцев (фамилия).

Версия о том, что -цев — это просто вариант патронимического суффикса (как иногда пишут в любительских словарях), маловероятна. Для прямого отчества от Мартын использовали бы Мартынов или Мартынин. Суффикс -цев в русской ономастике почти всегда «топонимический», то есть привязан к местности. Это подтверждается и тем, что фамилия Мартынцев встречается заметно реже, чем Мартынов, и сконцентрирована в определённых регионах — в частности, в Воронежской и Рязанской областях, где есть соответствующие деревни.

Таким образом, предок носителя фамилии Мартынцев был, по всей вероятности, не просто сыном Мартына, а человеком, который переехал из деревни Мартынцево или получил прозвище по месту жительства. Социально это почти наверняка были государственные или помещичьи крестьяне, а не дворяне — фамилии на -цев редко встречаются в родословных книгах служилого сословия.