Фамилия Петаев происходит от личного мирского имени Петай, которое в старину давали не при крещении, а в быту, чтобы отличить человека среди родных и соседей. Такие имена не были связаны с церковным календарем, поэтому часто отражали порядок появления детей или внешние черты человека. В случае с Петайем исследователи видят связь с порядковым числом «пятый»: так могли назвать пятого сына в семье. Подобная традиция именовать детей по счету встречалась у многих народов, и для мордвы имя Петай было особенно характерно, что указывает на возможные этнические корни рода.

Существует и вторая версия, менее очевидная, но тоже имеющая право на жизнь. Она возводит прозвище Петай к глаголам «пятить» или «пятиться». В говорах «пятить» означало «выставлять, выпячивать», например грудь или живот, а «пятиться» — «идти назад». В таком случае прозвище могло закрепиться за человеком с характерной осанкой или манерой поведения. Однако эта гипотеза выглядит слабее первой: числовая модель образования имен была гораздо более распространена, чем прозвища от подобных глаголов, поэтому версия о «пятом ребенке» остается основной.

Сама фамилия сложилась по стандартной для русских земель модели: к основе Петай добавили притяжательный суффикс -ев, который указывал на принадлежность. Первоначально Петаевым называли сына, внука или работника человека по имени Петай — буквально «петаев сын». Со временем эта форма закрепилась как наследственное родовое имя и перешла к потомкам уже без изменений.

Точное место и время возникновения фамилии Петаев установить трудно: фамилии у крестьян и посадских людей формировались на протяжении нескольких столетий, и письменные источники часто фиксируют лишь конечный результат этого долгого процесса. Тем не менее, сама фамилия — живой след той эпохи, когда личное прозвище могло стать семейным достоянием. Она сохранила в себе и древнюю традицию именования по счету, и память о конкретном человеке, с которого начался род.