Фамилия Петрочин — редкий пример, когда суффикс -ин присоединился к основе, оканчивающейся на -о. В русской модели образования фамилий суффикс -ин обычно крепится к основам на -а/-я (Петин, Ильин) или к мягким согласным. Здесь же мы видим форму Петроч-а → Петрочин. Такое написание — скорее всего, диалектная или документальная фиксация произношения: в живой речи фамилию могли произносить как Петро́чин, а писали по правилам.

Основа фамилии — каноническое имя Пётр в одной из уменьшительных форм. Полное имя Пётр дало множество производных: Петруша, Петряй, Петруня, Петроня. Форма Петроча — вариант имени Петроня, где суффикс -оч-/-еч- характерен для южнорусских и украинских говоров. Встречается и белорусский след: там уменьшительное Петроч (Пятроч) — обычная народная форма от Пятро (Пётр). Таким образом, Петрочин — буквально «чей?» — «сын или потомок Петрочи».

Фамилия редкая. По данным открытых источников, основные очаги бытования — юг России (Краснодарский край, Ростовская область) и приграничные районы Украины. Встречается также в Брянской и Смоленской областях, что подтверждает западнорусское или белорусское происхождение модели. В дореволюционных метрических книгах фамилия почти не попадается — скорее всего, она оформилась поздно, в XIX веке, когда крестьянам массово давали фамилии по имени отца или деда.

Сравнение с однокоренными фамилиями показательно. Есть Петроченков (от Петроченок), Петрочук (украинский вариант), Петрочко (белорусский). Петрочин стоит особняком: суффикс -ин вместо более типичного -ов указывает на то, что исходное прозвище или имя Петроча воспринималось как слово женского рода, что для мужского имени — аномалия. Возможно, когда-то существовало прозвище Петроча (например, по материнской линии или по профессии), но документальных подтверждений этому нет. Самая правдоподобная версия — просто фонетическая запись фамилии Петроч(и)н, где конечное -ин закрепилось по аналогии с массой фамилий на -ин.