Фамилия Мартынычев образована от имени Мартын, просторечной формы канонического имени Мартин. Латинское Martinus («мартинус») означает «воинственный», «подобный Марсу» — в римском пантеоне Марс считался богом войны, так что имя несло пожелание силы и доблести.

Словообразовательная модель здесь прозрачная и типичная для русского Севера и Поволжья. Суффикс «-ычев» указывает на принадлежность: Мартынычев — это «сын Мартыныча», то есть внук или потомок человека по имени Мартын. Такая трёхступенчатая цепочка (Мартын → Мартыныч → Мартынычев) встречается реже, чем простая форма на «-ов» (Мартынов), и обычно закреплялась в тех краях, где были сильны традиции отчеств.

В отличие от фамилии Мартынов, которая могла появиться в любом сословии, Мартынычев чаще всего указывает на крестьянское или мещанское происхождение из мест, где патронимическая система сохранялась дольше — например, в Архангельской, Вологодской или Вятской губерниях. Там отчество в форме «Мартыныч» могло перейти в фамилию без изменений, лишь с добавлением окончания «-ев» по модели притяжательных прилагательных.

Иногда фамилию путают с Мартыничевым или Мартынчевым, но это разные образования: в основе Мартынычева лежит именно форма «Мартын», а не «Мартыня» или «Мартынка». Ударение в фамилии падает на второй слог: Марты́нычев.