Фамилия Мартышевы — один из вариантов патронимической фамилии, образованной от имени-основы. В её основе лежит крестильное мужское имя Мартин (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», то есть «воинственный»). В русской народной среде это имя адаптировали: появились разговорные и уменьшительные формы, и одной из них стала Мартыша. Суффикс -ев указывает на принадлежность: Мартышев буквально означает «сын Мартыши», то есть потомок человека, которого в быту звали именно так.

Вторая версия, менее убедительная, связывает фамилию не с именем, а с прозвищем Мартыша. Слово «мартын» в русских говорах могло означать рыбу (вид лосося) или птицу (зимородок). В этом случае прозвище могло относиться к роду занятий — например, к рыбной ловле. Однако большинство русских фамилий на -ов/-ев восходят к крестильным именам, поэтому версия с именем Мартин считается основной.

Фамилия Мартышев встречается в нескольких регионах России, но заметно чаще — в северных и центральных областях, особенно в Архангельской и Вологодской губерниях. Это указывает на возможное формирование фамилии именно там, в среде крестьянского и посадского населения, где имя Мартин в форме Мартыша было нередким.

С точки зрения словообразовательной модели, фамилия типична для русского ономастикона: основа (Мартыш-) + суффикс притяжательного прилагательного (-ев). Ударение в фамилии падает на первый слог: Ма́ртышев. В некоторых говорах возможен вариант с ударением на второй слог (Марты́шев), но литературная норма фиксирует первый вариант.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Мартынов, Мартинов, Мартынцев — показывает, что Мартышев образован от более редкой уменьшительной формы. Если Мартынов напрямую от полного имени, то Мартышев сохраняет след народной переработки имени, что делает её ценной для историков языка.

О точном времени возникновения фамилии говорить сложно: процесс закрепления фамилий в разных слоях населения шёл с XV по XIX век. Скорее всего, Мартышевы — потомки крестьян или ремесленников, получившие фамилию по имени или прозвищу предка, жившего в XVI–XVII веках.