Фамилия Мартюгов — один из тех случаев, когда внешне простая русская фамилия с типичным суффиксом -ов таит в основе неочевидный корень. Если отбросить окончание, остается основа «Мартюг». Именно в ней и кроется разгадка.

Скорее всего, в основе лежит некалендарное имя или прозвище Мартюг. Оно образовано от слова «мартын», которое в некоторых русских говорах означало не только имя Мартын, но и имело переносное значение — «глуповатый, простоватый человек» или, напротив, «хитрец, пройдоха». Суффикс -юг в данном случае имеет увеличительное или пренебрежительное значение (сравните: «ворюга», «зверюга»). То есть Мартюг — это, грубо говоря, «большой Мартын» или «человек, похожий на Мартына по характеру». Фамилия закрепилась за потомками этого человека в форме притяжательного прилагательного: «чей сын?» — Мартюгов.

Версия о происхождении от имени Мартын (латинское Martinus — «посвященный Марсу») — самая прямая, но она не объясняет появления звука «г» на конце. Суффикс -юг тут не случаен: он указывает на то, что прозвище было не просто производным от имени, а характеризовало человека. Встречаются и другие фамилии с такой же моделью: Мартынов (от полной формы имени), Мартынцев (от патронима «Мартынец»), Мартюшин (от уменьшительной формы) — и вот Мартюгов стоит особняком.

Географически фамилия тяготеет к югу России и Поволжью, что типично для фамилий, образованных от народных форм имени Мартын. В дореволюционных переписях Мартюговы встречаются в Воронежской и Саратовской губерниях. Социальный состав — в основном крестьяне и однодворцы, то есть люди, чья фамилия закрепилась в низших сословиях, где ценились не столько родословные, сколько меткие уличные прозвища.