E. De Felice documenta este apellido como derivado de un apodo o nombre de oficio, Martèllo, registrado ya en Farfa (Sabina) en el año 1011 bajo la forma Johannes Martellus. El término remite a quien usa el martillo por oficio o en la guerra, o a quien golpea con gran fuerza, evocación reforzada por el prestigio de Carlos Martel y, en el siglo XIII, de Carlos Martel de Anjou. De Felice señala además que en algunos casos puede reflejar el hipocorístico de Martino, y que las formas femeninas en -a podrían derivar de Marta.

En cuanto a la distribución geográfica, De Felice sitúa a Martelli con alta frecuencia en Emilia-Romagna y Toscana, mientras que las formas Martello y las variantes en -a predominan en el sur de Italia, Martiello es propio de Napoli, y Martellani y Martellato se concentran en Veneto.

G. P. Holmes propone un origen alternativo y vincula el apellido tanto al nombre propio "Marte" o su derivado Martino como a la acepción de "el que usa el martillo". P. Canè, por su parte, apunta en una dirección semántica similar y sugiere que el apellido pudo aludir a un carácter tenaz o bien al oficio de herrero.