Фамилия Мартышин образована от просторечной формы имени Мартын — Мартыша. Каноническое имя Мартин восходит к латинскому «Martinus» — «посвящённый Марсу», то есть «воинственный». В русской традиции это имя давали в честь нескольких святых: Мартина Исповедника, римского папы VII века, пострадавшего за православную веру и скончавшегося в Крыму, а также Мартина Милостивого — бывшего воина, ставшего епископом Турским во Франции. Именно от обиходного, «домашнего» варианта Мартыша и пошла фамилия Мартышин.

Модель образования здесь стандартная для русских фамилий: к основе на -а (Мартыш-) добавляется притяжательный суффикс -ин, указывающий на принадлежность: «чей?» — Мартышин, то есть сын или потомок Мартыши. Такая форма типична для северных и центральных областей России, где фамилии на -ин широко распространены. В отличие от фамилий на -ов/-ев, которые чаще встречаются на юге и востоке, Мартышин — характерный пример именно «именьевой» фамилии, образованной напрямую от личного имени.

Интересно, что в основе лежит не церковная, а народная форма имени. Это говорит о том, что предок носителя фамилии, скорее всего, был простого сословия: крестьянином или ремесленником. В документах XVI–XVII веков имя Мартын и его производные встречаются в писцовых книгах и переписях, но фамилия Мартышин фиксируется позже — уже в XIX веке, когда фамилии окончательно закрепились за крестьянскими родами.

Встречаются и однокоренные фамилии: Мартынов (от полной формы имени), Мартынкин, Мартынюк (украинская версия). Но Мартышин стоит особняком — редкий суффикс -ин при основе на -ыша выдаёт региональную или даже диалектную особенность произношения. В некоторых говорах уменьшительно-ласкательные формы на -ыша были особенно употребительны, что и закрепилось в фамилии.