Фамилия Петренев — не самая распространённая, но у неё чёткая и понятная словообразовательная модель. Её основа — имя Пётр, а суффикс -енев указывает на происхождение от отчества или прозвища, образованного с помощью патронимического суффикса -еня. Такая модель встречается реже, чем стандартные -ов/-ев или -ин, и характерна для ряда русских фамилий, возникших от уменьшительных или обиходных форм крестильных имён (сравните: Петреня — Петренев, Феденя — Феденев, Афоня — Афонев). В данном случае Петреня — это одна из народных, разговорных форм имени Пётр, наряду с Петруня, Петряй, Петруха. Суффикс -еня придаёт имени оттенок ласкательности или просторечности.

Фамилия могла закрепиться в нескольких регионах. По данным исторической ономастики, подобные фамилии на -енев чаще всего фиксировались в центральных и южнорусских губерниях — там, где было распространено крестьянское и мещанское население. В документах XVII–XVIII веков встречаются крестьяне и служилые люди с фамилией Петренев, например, в Тульской, Рязанской и Орловской губерниях. Это косвенно подтверждает, что предки носителя фамилии могли быть не из высших сословий, а из среды земледельцев или мелких ремесленников. Фамилия не относится к дворянским — в родословных книгах она не значится, хотя отдельные ветви могли получать личное дворянство по выслуге.

Есть и вторая, менее вероятная версия: связь с топонимом. В России существуют деревни с названием Петренево (например, в Костромской и Вологодской областях). В таком случае фамилия могла образоваться от названия населённого пункта по модели «житель Петренева» — Петренев. Но первичным всё же остаётся именная основа, так как деревни часто называли по фамилии или прозвищу первопоселенца, а не наоборот.

С точки зрения ударения, в фамилии Петренев оно обычно падает на первый слог: Пе́тренев. Это соответствует традиции произношения фамилий, образованных от двусложных основ с суффиксом -енев. Встречается и вариант с ударением на второй слог, но он менее типичен. Таким образом, фамилия Петренев — это отчество в чистом виде: «чей?» — Петренев, то есть сын или потомок Петрени.