Фамилия Патрохаева образована от мужского имени или прозвища Патрохай. Основа здесь — «Патрох-», а «-ай» — характерный для русских народных форм суффикс, который придаёт имени ласкательный или просторечный оттенок (сравните: Михай — от Михаил, Тимохай — от Тимофей). Таким образом, Патрохай — это, скорее всего, обиходная форма одного из крестильных имён, скорее всего Патрокл (древнегреческое «отцовская слава»), реже — Патрикий (лат. «знатный»). Упрощение «Патрокл» до «Патрох» — процесс естественный для живой речи, где сложные сочетания согласных стягивались.

Суффикс «-аев» указывает на модель образования фамилий от имён на «-ай»: Патрохай → Патрохаев (сын Патрохая). Женская форма Патрохаева — результат склонения, а не отдельного происхождения. Эта фамилия редкая, и её география, скорее всего, привязана к южнорусским или украинским областям, где подобные стяжённые формы имён встречались чаще, чем на севере.

В отличие от фамилий на «-ин» (Патрохин), которые могли возникнуть от прозвища Патроха (с другим суффиксом), форма Патрохаева чётко держится за модель «имя + -ай». Если искать однокоренные, то это Патрохин, Патрохов, а также более известные Патрикеев и Патроклов. Но Патрохаева стоит особняком: она сохраняет в основе просторечный, почти деревенский вариант церковного имени, который в официальных документах почти не фиксировался. Предки носительницы фамилии, вероятно, были крестьянами или мещанами, а имя в семье передавалось в устной традиции, минуя строгие церковные списки.