Фамилия Мартынышина — редкий случай, когда в одном слове сошлись сразу две уменьшительные формы, что делает её разбор не таким очевидным, как у стандартных «Мартынов» или «Мартыненко». Основа здесь — крестильное имя Мартын (латинское Martinus — «посвящённый Марсу», «воинственный»), но путь к фамилии был длиннее обычного.

Сначала от имени Мартын образовали просторечную форму Мартыныш. Суффикс -ыш в русских именах и прозвищах часто имел ласкательный или, реже, пренебрежительный оттенок (сравните: Иваныш, Петруша, но и «глупыш», «малыш»). Затем к этому производному имени добавился притяжательный суффикс -ин, который указывал на принадлежность: «чей?» — Мартынышин, то есть сын или потомок Мартыныша. Женская форма Мартынышина — это грамматическое окончание, типичное для фамилий на -ин, принадлежащих женщинам.

География фамилии тоже показательна. Мартынышины — почти исключительно севернорусский и верхневолжский тип. Суффикс -ин характерен для территорий, где исторически не было активного смешения с украинским и польским влиянием (в отличие от фамилий на -ов/-ев). Сама модель «имя + -ыш + -ин» — редкая, она встречается в основном в архангельских, вятских и костромских говорах. Если предки вашего рода носили эту фамилию, они, скорее всего, были крестьянами или посадскими людьми из этих краёв, а само прозвище Мартыныш могло закрепиться за человеком небольшого роста или младшим в семье — в народе часто так называли младших сыновей, особенно если отец тоже был Мартыном.

Стоит отметить, что фамилия почти не меняла форму: она не обрусевала в «Мартынышев» и не укорачивалась. Это говорит о том, что она закрепилась в письменных источниках сравнительно поздно, в XVIII–XIX веках, когда крестьян начали массово записывать с уже готовыми уличными прозвищами. Встречается фамилия и в варианте Мартынышин (мужская), и как Мартынышина (женская), но в официальных документах обычно фиксируется мужская форма как основная, а женская — как склоняемая.