Фамилия Мартышенко — яркий пример украинской модели фамилии, образованной с помощью патронимического суффикса -енко. Эта модель, доминирующая на Левобережной и Степной Украине, исторически означала «сын» или «потомок». То есть Мартышенко — буквально «сын Мартыша».

Основа фамилии — прозвище Мартыш. В свою очередь, оно восходит к каноническому крестильному имени Мартин (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», богу войны). В украинской и белорусской народной традиции имя Мартин приобрело уменьшительную или пренебрежительную форму «Мартыш». В отличие от русской модели, где от Мартина образовались фамилии на -ов (Мартынов), украинская модель добавила суффикс -енко, подчеркнув родовую принадлежность.

География фамилии сосредоточена в центральных и восточных областях Украины, особенно в Черкасской, Полтавской и Киевской. В России Мартышенко встречается реже, чаще всего — в приграничных с Украиной регионах (Курская, Белгородская, Воронежская области), куда фамилия попала с переселенцами в XVIII–XIX веках.

Стоит отметить, что в основе фамилии лежит не зооним «мартышка» (обезьяна), хотя внешнее сходство может ввести в заблуждение. Слово «мартышка» пришло в русский язык из французского (marmouset) значительно позже, чем имя Мартин укоренилось в славянской среде. Совпадение звучания случайно, и прозвище Мартыш почти наверняка отсылает к имени, а не к животному.

Разные ветви рода могли писаться как Мартышенко, Мартышенко или Мартышенко (с ударением на второй или третий слог). В современных документах чаще фиксируется ударение на -е- (Марты́шенко), что соответствует украинской произносительной норме.