Фамилия Петкилева — редкий случай, когда на первый взгляд понятная основа таит в себе сразу несколько версий, и выбрать главную непросто. В центре внимания — корень «Пет-». Самое очевидное, что приходит в голову, — связь с крестильным именем Пётр. От него образовано множество фамилий: Петров, Петин, Петькин, Петрухин. Петкилев мог возникнуть как вариант через уменьшительную форму Петька (с суффиксом -к-) и последующее добавление суффикса -ев, который часто заменял -ов после мягких согласных. Однако в таком случае ожидалась бы фамилия Петькилев или Петькелев. Написание через «и» (Петкилев) сбивает с толку и заставляет искать другое объяснение.

Более правдоподобной выглядит версия, связанная с неканоническим именем или прозвищем Петкиль. В русских говорах и ономастике встречаются прозвища, образованные от глагола «петкать» — так в некоторых регионах говорили вместо «петь» или «пищать», подражая звуку. Человек с тонким голосом или любитель попеть мог получить прозвище Петкило, а его потомки — фамилию Петкилев. Суффикс -ил- в прозвищах (как в Губило, Косилка) указывал на деятеля, склонного к действию. Форма Петкилева — это женский вариант, указывающий на принадлежность к роду Петкилевых.

География фамилии узкая. Петкилевы встречаются в основном на северо-западе России, в частности в Ленинградской и Псковской областях, а также среди староверов, переселявшихся в Прибалтику. Это косвенно подтверждает, что фамилия могла возникнуть в новгородских или псковских землях, где диалектная лексика сохраняла архаичные слова. В официальных документах XVIII–XIX веков фамилия фиксируется в метрических книгах как Петкилев, что говорит о её устоявшейся форме. Таким образом, Петкилева — скорее всего, потомок человека с прозвищем Петкило, связанным с пением или голосом, а не напрямую с именем Пётр.