Фамилия Мартышина образована от имени Мартыша — просторечной, обиходной формы канонического имени Мартин (церковное Мартын). В основе лежит латинское Martinus, что значит «посвященный Марсу» или «воинственный». Имя широко бытовало на Руси, особенно в крестьянской и посадской среде, где полные церковные формы часто заменяли на более короткие и удобные в быту: Мартын превращался в Мартышу. От этой уменьшительной формы с помощью типичного русского суффикса принадлежности -ин и возникла фамилия, отвечающая на вопрос «чей?» — то есть сын или дочь Мартыши.

Святой покровитель имени — папа римский Мартин Исповедник, защищавший православие от еретиков и сосланный в Крым в VII веке, где и скончался. Другой небесный заступник — Мартин Милостивый, бывший римский воин, ставший епископом Турским во Франции. Оба образа — воина и страдальца за веру — наложили отпечаток на народное восприятие имени, но в быту оно оставалось обычным, без ореола исключительности.

По модели образования фамилия Мартышина — типичная «патронимическая» фамилия, то есть указывающая на отца: Мартыша → дети Мартышины. Поскольку имя Мартыша не встречалось в высших сословиях, а бытовало среди крестьян, ремесленников и мелких служилых людей, основатель рода, скорее всего, был человеком простого звания. Фамилия не получила широкого дворянского распространения, что подтверждает её «низовое» происхождение.

Стоит обратить внимание на редкую для фамилий на -ин основу с окончанием -ша. Обычно такие формы образуются от имён на -а (Гаврила, Фома → Гаврилин, Фомин), но здесь мы видим переход Мартын → Мартыша, что характерно для южнорусских и украинских говоров, где любили «укорачивать» имена. Это может указывать на географическое происхождение рода — из южных или западных областей исторической России.

Таким образом, фамилия Мартышина означает «принадлежащий Мартыше», а сам Мартыша — это просторечный вариант имени Мартин, популярный в народной среде. Фамилия несёт в себе отпечаток крестьянского или мещанского быта и, скорее всего, возникла не позднее XVII–XVIII веков, когда фамилии на -ин окончательно закрепились у непривилегированных сословий.