Фамилия Петимкина — женская форма фамилии Петимкин, которая образована от мужского личного имени или прозвища Петимка. В этом суффиксе -к- и окончании -а кроется ключ к пониманию: перед нами не крестильное имя (в святцах такого нет), а уменьшительно-бытовая форма, которой в семье или в деревне называли конкретного человека.

Основа Петим- с высокой вероятностью восходит к каноническому имени Пётр. В русской народной традиции имя Пётр давало множество производных: Петруня, Петряй, Петруха, Петька. Форма Петимка — более редкий вариант, где корень Пет- получил наращение -им-. Такое словообразование могло возникнуть под влиянием других просторечных имён вроде «Тимоха» или «Кузьма», где -им- оказывается частью основы. Встречаются и фамилии Петимов, Петимцев — все они из того же гнезда.

Модель на -ин типична для русских фамилий, образованных от слов, оканчивающихся на -а или -я. Петимкин буквально означает «чей?» — сын или потомок Петимки. Такие фамилии в XV–XVII веках закреплялись сначала за крестьянами и посадскими людьми, реже — за служилыми. Сословной элиты среди Петимкиных, судя по отсутствию фамилии в дворянских родословных книгах, не было. Это фамилия простонародная, севернорусская или поволжская: именно в этих регионах чаще встречались фамилии на -ин от имён на -ка.

В современных справочниках фамилия Петимкин фиксируется как редкая. По данным переписей, основные очаги — Кировская область и Удмуртия, что косвенно подтверждает версию о вятском происхождении. Встречается и написание Петимкина (женский вариант), но сама основа не меняется. Никаких альтернативных этимологий — от тюркских или финно-угорских корней — у этой фамилии нет, несмотря на созвучие с некоторыми марийскими словами. Словообразовательная модель и география однозначно указывают на русское имя Пётр в его местной, диалектной форме.