Фамилия Петей — редкий случай, когда в основе лежит имя, но суффикс сбивает с толку. На первый взгляд кажется, что перед нами форма родительного падежа от имени Пётр: «Петей» (кем? Петей). Но в русской фамильной модели так не работают. Фамилии на -ей обычно образуются от прозвищ или кратких форм имён с помощью суффикса -ей, который встречается реже, чем привычные -ов или -ин.

Скорее всего, фамилия Петей происходит от просторечной или диалектной формы имени Пётр — Петя. Но не от полного имени, а от его производной: Петей — это вариант прозвища, которое закрепилось за человеком. В говорах северных и центральных областей России (Архангельская, Вологодская, Костромская) фамилии на -ей встречаются чаще, чем в южных, и нередко фиксируют именно усечённые или ласкательные формы имён: Петей, Ваней, Сергей (как фамилия, а не имя). То есть предок носителя фамилии, вероятно, был просто Петей — но в документах прозвище записали как фамилию без дополнительных суффиксов.

Есть и вторая версия, менее вероятная, но допустимая: фамилия могла возникнуть из старого русского прозвища Петей, связанного с глаголом «петь». В таком случае Петей — это певун, запевала, человек с громким голосом. Однако против этой версии говорит то, что прозвища от глагола «петь» обычно образовывались иначе: Певец, Певун, Певчий. Форма с суффиксом -ей для такого значения нетипична.

Географически фамилия Петей редкая. Она встречается в основном на Русском Севере и в Сибири — регионах, куда переселялись северяне. В центральных областях её почти нет. Это косвенно подтверждает первую версию: именно в северных говорах охотно использовали краткие формы имён в качестве фамилий.

Словообразовательная модель здесь простая: основа «Пет-» (от Пётр или Петя) плюс суффикс -ей. Фамилия не склоняется как прилагательное, а ведёт себя как существительное мужского рода: «Петей пришёл», «у Петей». В женском варианте она не меняется — «Анна Петей». Такая модель характерна для украинских и белорусских фамилий, но в русской среде она маркирует именно северную диалектную традицию.

Сравните с однокоренными фамилиями: Петров (самая частая), Петин, Петухов, Петрищев. Петей стоит особняком — это не патроним (не «сын Петра»), а прямое прозвище, которое застыло в документах. Именно эта особенность делает фамилию ценной для историка: она сохранила живую разговорную форму, которую в других случаях заменяли на «официальные» суффиксы.