Марфино, свое название, как и многие московские районы, получил по располагавшейся здесь одноименной деревни. Первые упоминания деревни относится к 1560 году, она тогда входила в состав соседнего села Вельяминова, которое позже станет называться Владыкином. А принадлежали эти деревни московскому Богоявленскому монастырю.
К концу XVI века Марфино запустело и превратилось в пустошь, и в 1595 году игумен Иосиф вместе с Вильяминовым обменял эти села на соседние село Топорково и пустоши Игнатовское и Коптево, которые принадлежали младшему брату русского царя Василия Ивановича Шуйского, ДмитриюИвановичу. Затем владения перешли его сыну, но он не имел детей и остался последним в роде Шуйских, по этому в своей духовой грамоте 1637 года завещал сельцо Вельяминово и деревню Марфино все тому же Богоявленскому монастырю.
Но вскоре эти владения приглянулись патриарху Никону, который,опять же сменял их. С этого времени Вельяминово стало Владыкином, ведь патриарх - владыка. Обмен этот был, скорее всего, навязан патриархом, так как сразу после падения Никона, монастырь стал требовать расторжение сделки. Но ему удалость вернуть только деревню Марфино, которой и владел до секуляризации монастырского имущества 1764 года. Но, не смотря на это, монастырь все же сумел удержать за собой в Марфине 11 десятин земли.
В 1884 году в селе проживало около 160 человек. При Монастырском пруде находилась дача Богоявленского монастыря, а поблизости расположился смоляной заводик. Тогда же на средства обители здесь был основан Александро-Мариинский приют, при котором организовали начальную школу для мальчиков, сирот из семей духовного звания. Здесь они обучались столярному и переплетному ремеслу. В 1885 году при нем был выстроен и освящен храм во имя иконы «Утоли моя печали». Но после революции 1917 года монастырский приют, естественно закрыли, а здание передали детскому саду. В 1929 году в Марфине организовали совхоз, для снабжения столицы овощами.
После Великой Отечественной войны 1941-1945 г. на месте бывшего приюта в Марфино организовали лагерный НИИ ядерной физики, где работали заключенные с высшим образованием. Очень хорошо их условия жизни и работы описал очевидец Александр Солженицын в своем романе «В круге первом», который, начиная с 1947 года заведовал здесь библиотекой. Так же здесь отбывал срок и писатель Лев Копелев, переводивший немецкую техническую литературу. Солженицын пробыл здесь до 1950 года, сама же «шарашка», как называли ее заключенные, действовала до 1953 года.
В 1945 году было принято решение организовать в Москве Ботанический сад Академии наук СССР. И из 360 гектаров бывшего Шереметьевского лесопарка, 160 отвели под Ботанический сад. И всего за десть лет был создан один из крупнейших в Европе учреждений подобного типа. И до 1980 года бессменным директором был академик Н.В. Цицин. Изначально для пальм и других теплолюбивых растений арендовали марфинские теплицы, но уже в конце 50-х годов у сада появились собственные оранжерея площадью 3 тыс. кв. метров. Всего же в Ботаническом саду собрано свыше 11 тысяч видов растений из разных стран мира.
Что же касается самой деревни Марфино, последние дома снесли в конце 1960-х годов, и название села сохранилось лишь в названии района и Большой Марфинской улицы.