Фамилия Петренева — типичный пример «матронимической» фамилии, то есть образованной от женского имени, а не от мужского. В русской традиции такие фамилии встречаются реже, чем «отчества» вроде Петров или Иванов, и часто указывают на особые семейные обстоятельства. Основа здесь — женское имя Петреня, которое является ласкательной или обиходной формой от имени Петр (через цепочку Пётр → Петря → Петреня). Суффикс -ен- в данном случае не уменьшительный, а словообразовательный: в говорах имена вроде Петреня, Васяня, Мишеня бытовали как самостоятельные домашние прозвища.

Фамилия построена по притяжательной модели с суффиксом -ев: Петренева буквально означает «жена Петрени» или «дочь Петрени». Но в отличие от фамилий на -ин (Петрин), суффикс -ев здесь указывает на основу, оканчивающуюся на мягкий согласный или -й. Важный нюанс: если бы фамилия образовалась напрямую от мужского имени Петр, мы бы получили Петров или Петренко (украинская модель). Форма Петренева говорит о том, что родовое прозвище закрепилось именно за женщиной — вдовой, матерью-одиночкой или хозяйкой дома, чьё имя перевесило имя мужа в деревенской среде.

Географически фамилия тяготеет к северным и центральным областям России, где матронимы были распространены сильнее — например, в Вологодской, Архангельской, Костромской губерниях. Встречаются и варианты написания с одной «н» (Петренева — от Петреня, через двойное «н» в суффиксе), но исторически более правильна форма с двумя «н», так как суффикс -ен- + -ев даёт удвоение. В документах XIX века можно найти и Петреневых, и Петреневых — путаница возникала из-за того, что писцы не всегда различали отчества и фамилии, а имя Петреня в быту произносилось с разной степенью редукции.

Редкость фамилии объясняется не только матронимическим происхождением, но и тем, что имя Петреня почти вышло из употребления после XVII века, уступив место формам Петя и Петруша. В ономастических справочниках фамилию Петренева обычно связывают с работой В. А. Никонова, который отмечал, что подобные фамилии фиксируют «женскую линию» в крестьянских родословных, где женщина могла оставаться главой семьи после смерти мужа или при его отсутствии на промыслах. Таким образом, носительница фамилии Петренева — не просто потомок Петра, а наследница конкретной женщины, чьё имя стало родовым знаком.