Фамилия Мартышова — яркий пример того, как русская фамилия может хранить в себе не только имя, но и прозвище, причём не самое лестное. Вопреки интуитивному желанию связать её с обезьяной, корень здесь совсем другой. Основа фамилии — нецерковное мужское имя или прозвище Мартышка. В русских говорах так могли называть не только маленькую обезьянку, но и, по данным словаря В. И. Даля, непоседливого, вертлявого, а иногда и некрасивого человека. Однако первичное значение слова «мартышка» в древности — это уменьшительная форма от имени Мартын (каноническое Мартин, от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», то есть «воинственный»). То есть Мартышка — это ласковое или обиходное обращение к человеку по имени Мартын, вроде того как Ивана звали Ивашкой, а Петра — Петрушкой.

Суффикс -ов- в окончании фамилии указывает на стандартную модель образования русских фамилий: Мартышка → Мартышков → Мартышова. Это «чей?» — сын или дочь Мартышки. Фамилия относится к типичным «патронимическим» (по отцу), и её носительница — прямая потомка человека, которого в быту звали Мартышкой. Важно, что в XIX веке, когда фамилии закреплялись окончательно, прозвище Мартышка могло уже не восприниматься как уменьшительное от Мартына, а означать именно «обезьянку» — тогда предок получил фамилию за сходство с этим животным или за поведение.

Географически фамилия Мартышова встречается преимущественно в центральных и южных регионах России, особенно в Воронежской, Ростовской и Волгоградской областях. Там же распространены и однокоренные фамилии — Мартынов (от полной формы имени) и Мартынцев (от имени Мартын с другим суффиксом). Мартышова — более редкий вариант, что делает её особенно ценной для генеалогического поиска: чем необычнее фамилия, тем проще отследить её носителей по архивным записям. Сословной принадлежности у неё нет — Мартышковыми могли быть и крестьяне, и мещане, и казаки, поскольку прозвище было распространено во всех слоях.