Фамилия Петкау — один из тех случаев, когда происхождение кроется не в славянской, а в прибалтийско-немецкой или немецкой среде, хотя носители её давно и прочно обрусели. В основе фамилии лежит краткая форма имени Петер (Пётр) — Пец или Петц, которая в немецком языке дала множество уменьшительных вариантов. Суффикс «-кау» (в оригинале -kau) — типичный для фамилий, образованных от названий местности, особенно в Пруссии и Прибалтике. Буквально Петкау можно перевести как «Петрово место» или «поселение Петра».

Словообразовательная модель здесь не славянская, а немецкая: основа (личное имя или прозвище) + топонимический суффикс, указывающий на происхождение из конкретного населённого пункта. В XIX — начале XX века в Российской империи, особенно в Остзейском крае (современные Латвия и Эстония), а также в Поволжье, где существовали немецкие колонии, фамилии с окончанием «-кау» были распространены среди остзейских немцев и обрусевших немцев-лютеран. Переселенцы с такой фамилией нередко оказывались ремесленниками, мелкими торговцами или управляющими имениями.

Есть и более редкая, но возможная версия: фамилия могла возникнуть на русской почве из прозвища Петка (от Пётр), к которому добавили окончание «-ау», характерное для прибалтийско-немецкого ономастикона. Однако такое объяснение менее вероятно, так как в русской традиции суффикс «-ау» не встречается, и фамилия явно заимствована из немецкого языка. Географически Петкау чаще всего встречается на западе России, в бывших прибалтийских губерниях, а также в Сибири, куда немцев высылали в годы войны. Таким образом, предки современного носителя фамилии с высокой долей вероятности были немецкими колонистами или остзейскими бюргерами, принявшими фамилию по названию хутора или деревни, где жил их родоначальник.