Фамилия Петлевска звучит как типичная польская или западно-белорусская фамилия, образованная по модели с суффиксом -ск-. В польском языке суффикс -ski (-ska для женщин) указывает на принадлежность к месту или роду. Мужской вариант этой фамилии — Петлевски (Pietlewski), а женская форма Петлевска закрепилась в русском языке как неизменяемая (по аналогии с польскими фамилиями, оканчивающимися на -а).

Основа фамилии — «Петл-». Самое очевидное объяснение — связь со словом «петля» (польск. pętla). В таком случае прозвище Петля мог получить человек, занимавшийся изготовлением петель (например, шорник или портной), либо обладатель извилистого, «петляющего» характера. Однако есть и альтернативная версия: фамилия могла произойти от имени Пётр через его уменьшительную форму. В польском языке имя Piotr даёт производные типа Pietrek, Pietl, Pietla. Таким образом, Петлевска — это вариант фамилии Петровский, но с местным фонетическим изменением корня.

Географически фамилия тяготеет к восточным воеводствам Польши и западным областям Беларуси (Гродненщина, Брестчина). Там, на стыке языков, польская модель на -ski смешивалась с восточнославянскими фамилиями, и нередко одно и то же прозвище давало разные окончания. В отличие от массовых фамилий вроде Петров, Петлевска встречается заметно реже — это указывает на то, что род мог происходить из одного конкретного села или местечка, которое носило название Петлево, Петля или Петли.

В дореволюционных записях фамилию могли записывать по-разному: Петлевский, Петлевская, а в польском варианте — Pietlewska. После разделов Речи Посполитой фамилия попала в метрики православных и католических церквей, поэтому носители могут иметь как польские, так и белорусские корни. Сословно предки скорее всего были крестьянами или мещанами, поскольку шляхетские фамилии на -ский обычно имели более прозрачную топонимическую привязку к известным имениям, чего за Петлевска не прослеживается.