Фамилия Патроева — редкий случай, когда женская форма закрепилась в качестве основной. Обычно такие фамилии на -ева образованы от мужской (Патроев), но здесь первичной могла быть именно матронимическая модель: фамилия по матери, а не по отцу. Если предок-женщина носила имя или прозвище Патроя, её дети могли получить фамилию Патроевы — и это уже нестандартный ход для русской ономастики, характерный скорее для северных и некоторых западнорусских говоров.

Корень «патр-» отсылает к греческому «патер» (отец) или латинскому «патронус» (покровитель, защитник). В церковной среде «патрой» могли называть духовное лицо, связанное с патриархом или патрональным святым. Но бытовое прозвище Патроя могло возникнуть иначе: в некоторых диалектах так называли упрямого или властного человека — того, кто «патронит», то есть командует, берёт на себя роль покровителя. Третья версия — отчество от имени Патрокл, редкого в народной среде, но возможного среди грамотных сословий.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: «чей?» — Патроев, то есть сын или потомок Патроя. Фамилия недворянская, скорее крестьянская или мещанская, и географически тяготеет к центральным и южнорусским областям, где греческие корни встречались чаще — например, в Воронежской, Курской или Тамбовской губерниях. В XIX веке носители фамилии фиксировались в основном как однодворцы и государственные крестьяне.

Отдельного внимания заслуживает ударение. В фамилии Патроева оно обычно падает на второй слог: Патрóева. Если ударение на первый слог (Пáтроева), это может указывать на украинское или белорусское происхождение, где «патра» означало «хлопоты» или «суета» — прозвище суетливого человека. Две версии не противоречат друг другу: фамилия могла возникнуть независимо в разных регионах с разной семантикой.

В словарях Б. Унбегауна и В. Никонова фамилия Патроева не относится к числу распространённых, но её словообразовательная модель прозрачна. По сравнению с более частыми «Патрикеевыми» или «Патрушевыми», здесь нет суффикса -ик- или -уш-, что делает форму лаконичной и архаичной. Фамилия могла не пережить волну переименований в советское время, поэтому сегодня её носители — скорее всего, потомки одной или нескольких семей, сохранивших редкое родовое имя.