Фамилия Мартышов (в женском роде — Мартышова) ведет начало от крестильного имени Мартин. В переводе с латинского Martinus означает «посвященный Марсу, воинственный». В русской бытовой традиции это имя, известное по святым, быстро обросло уменьшительными формами. Одна из них — Мартыша — и легла в основу фамилии.

Модель образования типична для русских фамилий: суффикс -ов присоединялся к основе, указывая на принадлежность («чей сын?» — Мартышов). Так потомка человека по прозвищу или домашнему имени Мартыша стали называть Мартышовыми. Менее вероятно, хотя и не исключено, что в основе лежит прозвище Мартыш, данное за внешнее сходство с одноименной обезьяной (мартышкой). Но ономастика склоняется к имени как к первичному источнику: прозвищные фамилии от названий животных обычно образуются напрямую (Волков, Зайцев), а не через уменьшительно-ласкательную форму с суффиксом -ыш.

Фамилия фиксируется в разных регионах, но заметна в документах по южнорусским и поволжским землям. Встречается и вариант написания через «о» в окончании — Мартышов, и более редкий Мартышёв (с ударением на последний слог). О точном месте и времени возникновения фамилии говорить сложно: процесс формирования русских фамилий растянулся на несколько столетий, и крестьянские фамилии нередко оформлялись лишь к XIX веку. Тем не менее, Мартышовы — замечательный памятник славянской письменности и культуры, сохранивший в себе живую разговорную форму старинного имени.