Фамилия Патрайко — редкий пример, где суффикс -ко (характерный для украинской, белорусской и южнорусской ономастики) наложился на имя, которое само по себе звучит необычно. В основе лежит, скорее всего, крестильное имя Патрикий (от латинского patricius — «патриций, знатный»). В народном произношении это имя давало множество вариантов: Патрей, Патра, Патруня. От уменьшительной формы Патрай (или Патрей) и возникло Патрайко — буквально «маленький Патрай» или «сын Патрая».

Менее вероятная, но не исключённая версия — связь с южнославянским корнем «патрати» (стеречь, караулить). В этом случае Патрай могло быть прозвищем сторожа или пастуха, а Патрайко — его потомком. Однако для фамилии, бытующей преимущественно на западе Украины и в Беларуси, версия с именем Патрикий выглядит убедительнее, поскольку суффикс -ко здесь стандартно присоединяется к личным именам.

Географически фамилия тяготеет к Гродненской и Волынской областям, изредка встречается в польских записях (Patrajko). В дореволюционных ревизских сказках Патрайко чаще всего значились крестьянами или мещанами, что типично для «сыновьих» фамилий на -ко, которые в XVIII–XIX веках ещё не успели закрепиться за дворянством.

Особенность написания — ударение почти всегда на последний слог: Патрайко́. В русском языке фамилия не склоняется, если принадлежит женщине, и склоняется по мужскому роду (Патрайко — Патрайко́, Патрайку́). Это типичный признак фамилий украинского происхождения, которые сохранили исходный суффикс без русификации.