Фамилия Мартюхова — женская форма от Мартюхов, и её разбор стоит начать с суффикса. Модель на -ов указывает на типичную русскую патронимическую фамилию: «чей?» — Мартюхов, то есть сын или потомок человека по имени или прозвищу Мартюх. Основа здесь — Мартюх, которая представляет собой не просто усечение, а скорее разговорную, уменьшительно-пренебрежительную форму имени Мартын (от римского Мартин, «посвящённый Марсу»). В русских говорах имена часто «перекраивали»: Мартын превращался в Мартюка, Мартюха, Мартя. Суффикс -юх- (как в Петюха, Ванюха) придавал имени простонародный, бытовой оттенок — так могли звать в семье или в крестьянской среде.

Вторая, менее вероятная версия связывает фамилию с мирским прозвищем Мартюха. В диалектах слово «мартюха» иногда обозначало человека, родившегося в марте, или же того, кто по характеру напоминал этот месяц — переменчивый, непостоянный. Однако для прозвища такая форма встречается реже, чем производная от крестильного имени. Правдоподобнее считать, что предок носителя фамилии Мартюхов носил имя Мартын, а в обиходе его звали Мартюха — и это прозвание закрепилось за детьми как родовое.

Географически фамилия Мартюхов (и Мартюхова) распространена в центральных и северных областях России: встречается в Вологодской, Костромской, Кировской областях, а также в Сибири, куда переселенцы принесли её в XIX веке. В переписных книгах XVII века можно найти крестьян с именем Мартюха — например, в писцовых книгах по Устюгу Великому. Сословно фамилия почти всегда крестьянская или мещанская: дворянских родов с такой фамилией в гербовниках нет.

От однокоренных фамилий — Мартынов, Мартыненко, Мартюшев — Мартюхова отличается именно суффиксом, который выдает неофициальную, «домашнюю» основу. Если Мартынов — от полного церковного имени, то Мартюхов — от его уличной версии, что говорит о более низком социальном положении предков: в среде, где фамилии складывались стихийно, без участия приходских священников.