Фамилия Петоева хранит в себе несколько загадок, и главная из них — ударение. Если оно падает на второй слог (Петóева), перед нами классическая «матронимическая» фамилия, образованная от женского имени Петоя. В русской традиции такие фамилии редки: обычно их давали детям, которых воспитывала мать-одиночка, или в семьях, где женщина играла главную роль. Имя Петоя — это уменьшительно-ласкательная форма от Пелагея (греч. «морская»), а в некоторых говорах — от Петра, что добавляет путаницы.

Если же ударение падает на первый слог (Пéтоева), основа меняется. В этом случае корень может восходить к диалектному слову «петой» — так в северных и сибирских говорах называли пегого, пёстрого человека или животного. Прозвище Петой давали либо человеку с рябым лицом после оспы, либо тому, кто носил разноцветную одежду. Суффикс -ев указывает на притяжательное значение: «из рода Петого», то есть сын или дочь Петого.

Третий, менее очевидный вариант — связь с осетинским или кавказским именем Пето. В осетинском языке фамилии на -ев (в женском роде -ева) распространены шире, чем в русском, и Петоева могла возникнуть от мужского имени Пёто (возможно, сокращение от Петр или местного имени). В пользу этой версии говорит то, что фамилия Петоева встречается в Северной Осетии и Кабардино-Балкарии чаще, чем в центральной России.

Словообразовательная модель проста: основа Пет(о)- плюс суффикс -ев, который в русском языке традиционно присоединяли к основам на мягкий согласный или на -й. В данном случае мы видим редкий случай, когда суффикс стоит после гласной — это либо диалектная особенность (в говорах «Петой» дало «Петоев»), либо адаптация иноязычного имени. Фамилия не входит в число распространённых, и её носители, скорее всего, происходят из нескольких разрозненных родов, не связанных общим предком.