E. De Felice atteste ce nom de famille comme dérivé d'un sobriquet ou nom de métier, Martèllo, enregistré dès l'an 1011 à Farfa (en Sabine) sous la forme Johannes Martellus. Le terme renvoie à celui qui manie le marteau par métier ou à la guerre, ou à celui qui frappe avec une grande force, évocation renforcée par le prestige de Charles Martel et, au XIIIe siècle, de Charles Martel d'Anjou. De Felice signale en outre que dans certains cas il peut refléter l'hypocoristique de Martino, et que les formes féminines en -a pourraient dériver de Marta.

Quant à la répartition géographique, De Felice situe Martelli avec une forte fréquence en Émilie-Romagne et en Toscane, tandis que les formes Martello et les variantes en -a prédominent dans le sud de l'Italie, que Martiello est propre à Naples, et que Martellani et Martellato se concentrent en Vénétie.

G. P. Holmes propose une origine alternative et rattache le nom aussi bien au prénom « Mars » ou à son dérivé Martino qu'à l'acception de « celui qui manie le marteau ». P. Canè, pour sa part, va dans une direction sémantique semblable et suggère que le nom a pu renvoyer à un caractère tenace ou bien au métier de forgeron.