Фамилия Мертюкова принадлежит к распространённому типу русских фамилий, образованных от прозвищ или мирских имён с помощью суффикса -ов. В женском роде она закрепилась как форма от мужской фамилии Мертюков. Основа фамилии — Мертюк — скорее всего, является производной формой от крестильного имени. Чаще всего ономасты связывают её с именем Мартин (в просторечии — Мартын) или с редким именем Меркурий (в народной форме Меркул или Меркуша). В обоих случаях действовал типичный для русской деревни механизм: полное имя сокращали, а затем добавляли уменьшительно-пренебрежительный суффикс -юк, который был особенно распространён в южнорусских и украинских говорах. Таким образом, Мартын превращался в Мартюка, а затем в Мертюка (через аканье или под влиянием местного произношения), а Меркурий — в Меркушу или Меркуя, что тоже могло дать форму Мертюк.

Менее вероятна, но не исключена версия от прозвища, связанного с диалектным словом. В некоторых говорах «мертюк» или «мертвяк» могло означать вялого, медлительного или угрюмого человека. Однако для фамилий на -юк чаще характерно происхождение именно от личных имён, а не от прямых прозвищ с негативным значением. Поэтому версия с Мартыном или Меркурием выглядит предпочтительнее: она объясняет и суффикс, и возможное чередование согласных.

Географически фамилия Мертюкова (и Мертюков) встречается преимущественно в центральных и южных регионах России, а также в Поволжье. Встречаемость невысокая — это редкая фамилия, что говорит о её локальном происхождении: вероятно, она закрепилась в одном или нескольких соседних сёлах, где жил человек по прозвищу Мертюк. Суффикс -ов указывает, что родоначальник, скорее всего, относился к крестьянскому или мещанскому сословию, так как дворянские фамилии в массе своей оформлялись иначе или имели более книжные основы.

Сравнение с однокоренными фамилиями — Мартюков, Меркулов, Мертвищев — показывает, что Мертюкова стоит особняком: она не имеет прямой связи с церковным календарём, а опирается на живую разговорную форму, которую записали при переписи так, как слышали. Это типичный пример «окающего» или «акающего» произношения, застывшего в официальном документе.