Фамилия Мартынышин образована от полной формы крестильного имени Мартын (церковное Мартин, от латинского Martinus — «принадлежащий Марсу», «воинственный»). В русской традиции это имя давали в честь святого Мартина Турского, и оно было распространено у всех сословий. Модель образования фамилии здесь нестандартная и редкая: к основе Мартын добавился суффикс -ыш- (уменьшительно-ласкательный или указывающий на принадлежность к чему-то), а затем патронимический суффикс -ин. Таким образом, Мартынышин буквально означает «сын Мартыныша», где Мартыныш — это либо ласковое прозвище самого Мартына, либо, что вероятнее, имя отца в уменьшительной форме.

Такая словообразовательная цепочка — от полного имени к форме с -ыш и далее к фамилии на -ин — встречается редко. Обычно фамилии на -ин образуются напрямую от имени (Мартынов, Мартынин) или от прозвища с суффиксом -ыш (Голыш, Малыш → Голышин, Малышин). Но в случае Мартынышин мы видим двойной суффикс: сначала -ыш, потом -ин. Это говорит о том, что в основе фамилии лежит не просто имя, а конкретное внутрисемейное или уличное прозвище родоначальника — Мартыныш. В говорах такое прозвище могло означать «маленький Мартын» (по возрасту или росту) или «сын Мартына» (сравните: Иван → Иваныш, Пётр → Петруш).

Географически фамилия Мартынышин тяготеет к западным и южным регионам России, особенно к Курской, Белгородской и Воронежской областям, где форма имени Мартын была более употребительна, чем Мартин. Встречаются также варианты написания с одной «н» — Мартышин, но это уже другая фамилия, образованная напрямую от имени Мартыш (уменьшительное от Мартын) без промежуточного суффикса -ыш.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Мартынов — самая частая и стандартная, Мартынин — более редкая, а Мартынышин — уникальная по своей структуре. Она не попала в массовые списки дворянских или купеческих родов, а осталась в крестьянской и мещанской среде, где прозвища часто передавались по наследству в неизменной форме. Носитель такой фамилии мог быть потомком человека, которого в деревне звали не по отцу, а по собственному уменьшительному имени — Мартыныш, что указывает на близкое, возможно, даже ласковое отношение к нему в общине.