Фамилия Петенов образована от имени или прозвища Петеня. Это краткая, уменьшительная форма канонического имени Пётр, которое пришло на Русь из греческого языка и означает «камень, скала». В народной среде имя Пётр давало множество производных: Петруня, Петряй, Петух и, в данном случае, Петеня. Суффикс -ен- здесь нестандартный для русского словообразования — чаще встречаются варианты с -ин (Петин) или -ов (Петров). Скорее всего, форма Петеня возникла в говорах, где прилагательное от имени могли строить с помощью -ен-, либо это диалектное произношение, где «е» заменило привычное «и».

Другая, менее вероятная версия связывает основу с диалектным словом «петеня» — так в некоторых областях называли нерасторопного, медлительного человека, от глагола «петлять» или «петать» (медлить). Но эта гипотеза слабая, потому что такое слово не зафиксировано в авторитетных словарях русских говоров, а фамилии на -ов чаще образуются от личных имён, а не от редких нарицательных.

Фамилия Петенов — относительно редкая. По географии распространения её можно встретить в центральных и южных регионах России, особенно в Воронежской, Ростовской и Волгоградской областях, что указывает на возможное происхождение из среды однодворцев или крестьян южного пограничья. В документах XVIII–XIX веков фамилия могла писаться через «о» — Петенов, хотя по правилам церковной записи иногда встречалось Петенев, но закрепился именно вариант с твёрдым суффиксом.

С точки зрения словообразовательной модели, Петенов — типичная «патронимическая» фамилия, то есть отвечающая на вопрос «чей?» — сын Петени. Она стоит в одном ряду с такими фамилиями, как Теренов (от Тереня, уменьшительное от Терентий) или Феденов (от Феденя, форма имени Фёдор). Общего с фамилией Петров у неё только корень, но Петров — более древняя и массовая, а Петенов сохранила редкую народную форму имени, что делает её особенно ценной для генеалогического поиска.