Фамилия Петличенко — яркий пример украинской модели фамилии с суффиксом -енко, который указывает на происхождение от отца или предка: «Петличенко» буквально означало «сын Петлика» или «потомок Петлика». Модель на -енко была особенно распространена в Левобережной и Слободской Украине (Черниговщина, Полтавщина, Харьковщина), поэтому носители фамилии с высокой вероятностью родом из этих регионов.

Основа «Петлик» — это уменьшительное имя, образованное от крестильного имени Пётр. В украинской и южнорусской традиции имя Пётр (от греческого «камень, скала») имело множество просторечных и ласкательных форм: Петро, Петрик, Петрусь, Петруша и, в том числе, Пётрок, Петлюра, Петлик. Суффикс -ик в слове «Петлик» выполнял ту же уменьшительную роль, что и в русских формах Петька, Петрушка, но с характерным украинским звучанием. Таким образом, далёкий предок носителей фамилии был по имени Пётр, а в быту его называли Петликом.

Менее вероятная, но не исключённая версия связывает фамилию с прозвищем «Петля» — от слова «петля» (часть верёвки, застёжка или, в переносном смысле, хитрый, изворотливый человек). Если бы исходная форма была «Петля», то по правилам украинской ономастики фамилия звучала бы как Петленко (сын Петли), а не Петличенко. Редкая форма Петличенко — с двойным суффиксом -ич- и -енко — указывает именно на имя Петлик: суффикс -ич- (как в отчествах) присоединился к основе, а затем уже добавился типовой фамильный суффикс -енко.

В русских говорах встречается похожая фамилия Петличев (от Петлич — сын Петли), но вариант Петличенко сохраняет чисто украинскую грамматику. Среди носителей фамилии есть потомки как казаков, так и крестьян, поскольку фамилии на -енко в XVII–XVIII веках активно формировались у всех сословий украинского общества. Писарь или священник, записывая фамилию, просто фиксировал прозвище отца: «Петлик» → «Петличенко».