Фамилия Мартюхин — типичный пример того, как в русском быту переосмысляли церковное имя. В её основе лежит имя Мартюха, которое в народе давали мальчикам при крещении вместо полного церковного имени Мартин. Латинское Martinus переводится как «посвящённый Марсу» или «воинственный», но для крестьянской среды это значение было отвлечённым: Мартюхой звали любого Мартина, и имя звучало по-домашнему, с уменьшительным суффиксом -юх-.

Фамилию образовали по стандартной русской модели: к основе Мартюх- добавили притяжательный суффикс -ин, означающий «чей?» — то есть Мартюхин буквально значит «сын Мартюхи» или «человек из рода Мартюхи». Это одна из самых распространённых словообразовательных схем в русских фамилиях (наравне с -ов/-ев), и встретить её можно по всей территории России, от северных областей до южных.

Интересно, что имя Мартин дало целое гнездо фамилий: Мартынов, Мартинов, Мартюшев, Мартыненко и собственно Мартюхин. Разница в суффиксе указывает на разные региональные или диалектные формы имени. Например, форма Мартюха характерна для южнорусских и украинских говоров, где любили добавлять -юх- к именам (ср. Иван — Иванюха, Григорий — Гринюха). Поэтому фамилия Мартюхин с высокой вероятностью зародилась в южных или центральных губерниях России, а не на севере, где чаще говорили «Мартын» и «Мартынов».

Точную дату и место появления фамилии назвать невозможно: процесс закрепления фамилий у крестьян растянулся на несколько столетий и завершился только после отмены крепостного права в 1861 году. Однако можно уверенно сказать, что предки носителей фамилии Мартюхины были простыми людьми — крестьянами или посадскими, — и фамилия эта не принадлежала дворянству, поскольку образована от обиходной, а не книжной формы имени.