Фамилия Мартысенко — яркий пример украинской модели фамилеобразования, которая в XIX веке распространилась и на южнорусские земли. Её основа — каноническое крестильное имя Мартын (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», то есть воинственный). Суффикс -енко в украинском языке указывает на прямое родство: это «малый Мартын», то есть сын, потомок или ученик человека по имени Мартын. Таким образом, первый носитель фамилии Мартысенко был, скорее всего, сыном некоего Мартына.

В отличие от русских фамилий на -ов/-ев (Мартынов), которые фиксировали принадлежность отцу, украинские фамилии на -енко часто были более подвижными и могли менять форму при переходе в другую семью или местность. Встречаются также варианты Мартыненко (с более полной формой имени) и Мартысёнок (с белорусским суффиксом). Географически фамилия Мартысенко чаще всего встречается в Черниговской, Полтавской и Сумской областях, а также в приграничных районах России — там, где исторически была сильна украинская колонизация.

Интересно, что в некоторых говорах имя Мартын могло превратиться в прозвище. В народе Мартыном нередко называли простоватого или медлительного человека, а в диалектах северных областей — даже лешего. Однако для фамилии Мартысенко более вероятна прямая связь с именем, а не с прозвищем: суффикс -енко почти всегда указывает на отчество, а не на характеристику. Сословно фамилия могла принадлежать как казакам, так и крестьянам или мещанам — на Украине этот способ образования не был привилегией знати, в отличие от польских фамилий на -ский.