Фамилия Петреева образована от мужского крестильного имени Петр, которое в переводе с древнегреческого означает «камень». Однако напрямую от полной формы имени она не произошла. В основе лежит производная, разговорная форма — Петрей. Такие усечённые и смягчённые варианты канонических имён были обычным делом в народной среде: их использовали в быту, в кругу семьи и соседей, а вот в церковных книгах записывали полное имя. Со временем форма Петрей закрепилась как самостоятельное прозвище или обиходное имя, а от него уже по обычной модели образовалась фамилия: Петрей → Петреев → Петреева.

Суффикс -ев указывает на принадлежность: Петреева буквально означает «дочь (или жена) Петрея», а изначально фамилия в мужском роде — Петреев — отвечала на вопрос «чей?», то есть «сын Петрея». Такая словообразовательная цепочка типична для русских фамилий, возникших от просторечных форм имён. Редкость корня в том, что вариант Петрей встречается заметно реже, чем, скажем, Петруша или Петя, поэтому фамилия сохранила более архаичный отпечаток.

Скорее всего, основатель рода Петреевых был выходцем из рабочей или крестьянской среды. На это косвенно указывает сама форма имени: в дворянской и книжной традиции предпочитали полное церковное имя, а вот среди крестьян, ремесленников и посадских людей как раз и бытовали такие сокращённые варианты. Фамилия не несёт следов географической привязки к конкретной местности, поэтому говорить о едином очаге её возникновения сложно — она могла независимо появиться в разных регионах, где жил человек по имени Петрей.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Петреев стоит в одном ряду с Петровым, Петраковым, Петрушиным, но отличается от них именно исходной основой. Петров — от полного имени, Петраков — от формы Петрак, а Петреев — от Петрея. Эта фамилия — редкий пример того, как одно имя дало целый веер разных родовых прозваний, и каждое из них хранит память о том, как именно звали предка в повседневной жизни.