Фамилия Патроев — не самая распространённая, но с чёткой и прозрачной словообразовательной структурой. Она образована по стандартной модели русских фамилий: к основе добавили суффикс -ев, который указывает на принадлежность («чей?»). В данном случае основа — Патрой. Так могли в быту называть человека, чьё имя или прозвище звучало как Патр.

Корень здесь — каноническое крестильное имя Патр, сокращённая форма от Патрикий или Патрокл. Полные имена эти в русской традиции встречались редко, а вот их уменьшительные варианты — Патря, Патра, Патрой — были вполне употребительны в крестьянской и посадской среде. Имя Патрикий (от латинского patricius — «знатный», «патриций») давали в честь святых, например, Патрикия Прусского. Имя Патрокл — древнегреческое, из мифологии, но в святцах оно тоже есть. Таким образом, Патроев — это буквально «сын Патра» или «потомок того, кого звали Патрой».

Интересна географическая привязка. Фамилия Патроев почти не встречается в центральных и южных областях России, зато заметна на Русском Севере, особенно в Архангельской области и в бывшей Вологодской губернии. Это не случайно: северные регионы дольше сохраняли архаичные формы имён и прозвищ. Там же, в северных писцовых книгах XVI–XVII веков, можно встретить упоминания крестьян с именем Патруня или Патруха — однокоренные варианты.

Есть и другая, менее вероятная версия. В некоторых говорах «патруй» или «патрой» — прозвище человека медлительного, нерасторопного (от диалектного глагола «патрить» — мешкать, копаться). Но в случае с фамилией Патроев эта гипотеза слабая: фамилии на -ев от прозвищ с таким значением обычно звучат иначе (например, Патруев или Патрухин). К тому же, если бы основа была прозвищной, в говорах она бы дала форму «Патрой» только при ударении на первый слог, а в фамилии ударение чаще падает на второй — Патрóев, что характерно для имённых образований.

Родственные фамилии — Патрин, Патрушев, Патраков, Патрикеев. Все они восходят к тому же корню, но с разными суффиксами. Патроев среди них стоит особняком: редкий суффикс -ой в основе (Патр-ой) указывает на старую, почти исчезнувшую модель образования прозвища. Носитель фамилии, скорее всего, потомок северного крестьянина или ремесленника, которого в документах XVII–XVIII веков записали по отцу — Патру, Патре или Патрою.