Фамилия Мартынцов образована от имени Мартынец — народной формы канонического имени Мартин. В переводе с латинского Martinus означает «посвящённый Марсу», то есть «воинственный». Со временем имя Мартынец закрепилось за потомком как фамилия: отвечая на вопрос «чей?», её обладателя называли Мартынцов — сын или внук Мартынца.

Редкий суффикс -ец в основе указывает на уменьшительно-ласкательную или обиходную форму имени, характерную для западных и южных русских говоров. В отличие от более распространённых Мартынов (от Мартын) и Мартинов (от Мартин), фамилия Мартынцов сохранила именно эту уменьшительную основу. Такая модель встречается у фамилий на -цов, где исходное имя оканчивалось на -ец: Кузнецов, Скворцов, Певцов. Мартынцов стоит в том же ряду, но с более редкой основой.

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и украинским территориям, где имя Мартынец было в ходу. В переписных книгах XVII века встречаются отдельные упоминания Мартынцовых среди крестьян и однодворцев южных уездов — Белгородского, Курского, Воронежского. Сословно это были в основном крестьяне и посадские люди, реже — казаки.

Таким образом, Мартынцов — не просто вариация на тему Мартин, а фамилия с конкретной словообразовательной историей: её породила не полная церковная форма, а её уменьшительный, разговорный вариант Мартынец, что делает фамилию более локальной и менее тиражированной, чем, например, Мартынов.