Фамилия Мартышва — редкий случай, когда написание расходится с ожидаемой моделью. На первый взгляд, корень здесь «мартыш-», как у обезьяны-мартышки. Но русские фамилии от названий животных обычно образуются через суффиксы -ов/-ев или -ин: Мартышкин, Мартышов. Суффикс -ва нехарактерен для русского языка, поэтому версия с прозвищем «Мартышка» маловероятна.

Скорее всего, перед нами искажённая или упрощённая форма фамилии Мартышев. В говорах, где «ш» перед гласным смягчалось или выпадало, Мартышев мог превратиться в Мартышва. Ещё один вариант: основа — не животное, а каноническое имя Мартын (от латинского Martinus — «посвящённый Марсу», «воинственный»). В диалектах имя могли произносить как «Мартыш» (ср. уменьшительное Мартышка не от обезьяны, а от Мартын). Тогда фамилия образована по модели «Мартыш + -ов», но с последующей утратой гласного в суффиксе: Мартышов → Мартышва. Такое «стяжение» встречается в южнорусских и белорусских говорах, где безударные гласные редуцируются сильнее.

Географически фамилия редкая, встречается в основном в центральных и южных областях России, а также на Украине. Носители Мартышва, скорее всего, потомки крестьян или однодворцев, чья фамилия закрепилась в устной форме и при записи в документы получила нестандартное окончание. Однокоренные фамилии — Мартынов, Мартышев, Мартынцев — распространены гораздо шире, и Мартышва стоит особняком как пример того, как живая речь перекраивает письменную форму.