Фамилия Мартысь образована от канонического имени Мартин, которое в русской народной традиции закрепилось в форме Мартын. Латинское Martinus означает «посвящённый Марсу», то есть воинственный. В православных святцах известны два особо почитаемых носителя этого имени: папа римский Мартин Исповедник, сосланный в Крым в VII веке за защиту православия, и Мартин Милостивый — бывший римский воин, ставший епископом Турским.

Словообразовательная модель фамилии — редкая для русского ономастикона. Если большинство фамилий на -ов/-ев, -ин указывают на отчество, то фамилия Мартысь построена по типу украинских, белорусских или польских прозвищных фамилий на -ысь. Такой суффикс характерен для западнорусских земель и часто передаёт уменьшительно-ласкательную или обиходную форму имени: Мартысь — это, по сути, «Мартынчик», «маленький Мартын».

В исторической перспективе фамилия могла закрепиться за потомками человека, которого в быту называли не полным именем, а именно краткой формой Мартысь. Это типично для регионов, где распространены фамилии на -ук/-юк, -ик, -ысь. Географически фамилия Мартысь чаще всего встречается на западе Украины, в частности в Львовской и Волынской областях, а также среди потомков переселенцев из этих земель.

В отличие от распространённых Мартыновых, фамилия Мартысь сохранила редкую суффиксальную архаику. Она не была русифицирована добавлением типового -ов, а осталась в той форме, в которой её зафиксировали в документах Речи Посполитой или позднее — в метрических книгах Юго-Западного края Российской империи. Поэтому владельцы фамилии Мартысь могут с большой вероятностью связать свои корни с западнорусскими или украинскими землями, где такие модели фамилий были нормой.