Фамилия Мартышов образована от крестильного имени Мартин. В переводе с латинского это имя означает «посвящённый Марсу, воинственный» — древнеримский бог войны дал имя, которое в христианской традиции стало ассоциироваться со святым Мартином Турским, известным своим милосердием. Однако в русской народной среде полное имя Мартин часто заменяли уменьшительной формой Мартыша. Именно она и легла в основу фамилии.

Суффикс -ов указывает на типичную модель русских фамилий: Мартышов буквально значит «сын Мартыши» или «потомок Мартыши». Такой способ словообразования был самым распространённым в XVI–XVII веках, когда фамилии закреплялись за крестьянскими и мещанскими родами. В документах того времени встречаются и однокоренные варианты — Мартынов, Мартинов, Мартынцев, но фамилия Мартышов выделяется тем, что в основе лежит не официальное, а обиходное, домашнее имя.

Интересно, что имя Мартин в русском языке дало целый ряд фамилий, но Мартышов — одна из самых редких. Это может говорить о локальном бытовании прозвища или имени Мартыша в конкретной местности. По данным переписей, носители фамилии чаще всего встречаются в центральных и южных регионах России, особенно в Воронежской и Ростовской областях, что указывает на возможное происхождение рода из зоны позднего заселения однодворцами или казачеством.

В отличие от фамилии Мартынов, которая более «книжная» и распространённая, Мартышов сохранила в себе оттенок простонародной речи. Если Мартынов мог принадлежать и священнику, и купцу, то Мартышов почти наверняка указывает на крестьянские или мещанские корни. В старых актах форма Мартыша могла использоваться не только как уменьшительное, но и как самостоятельное прозвище — например, для человека маленького роста или подвижного, как мартышка (хотя это народное переосмысление, а не прямое заимствование из зоологии). Тем не менее, основная версия остаётся церковной: фамилия Мартышов — это память о предке, которого в быту звали ласково и коротко, по-свойски.