Фамилия Петроев — редкий случай, когда фамилия на -ев образована не напрямую от полного канонического имени, а от его разговорной или иноязычной формы. В основе лежит имя Пётр, но не через стандартное «Петров», а через вариант Петро, который бытовал у южных славян, у народов Кавказа или в среде греческого духовенства. Суффикс -ев присоединяется к основе, оканчивающейся на гласный, поэтому «Петр-ов» превратился бы в «Петров», а «Петро-ев» даёт именно Петроев. Такая модель редка для русских фамилий, но встречается в среде выходцев из Болгарии, Сербии, а также у потомков греческих или молдавских священников, где имя Петро не редкость.

Есть и другая версия, менее вероятная, но не исключённая: фамилия могла возникнуть у русских старообрядцев или казаков, где имя Пётр в бытовом общении иногда усекали до Петро. В таком случае Петроев — это «сын Петра», но с местной диалектной особенностью произношения. Однако подавляющее большинство носителей фамилии Петроев в России и на Украине — это потомки переселенцев с Балкан или представителей духовного сословия, где греческое влияние было сильным.

В дореволюционных метрических книгах фамилия Петроев встречается в южных губерниях — Херсонской, Таврической, Бессарабской, а также среди кубанских казаков. В северных и центральных регионах она практически отсутствует, что подтверждает её южное происхождение. Социальный состав носителей был пёстрым: от священников до мещан и крестьян, но редко — дворян, так как фамилия не попала в «Бархатную книгу» и не имеет аристократических корней.

Интересная деталь: в некоторых польских и литовских записях XVII–XVIII веков встречается написание Piotroj, что также могло трансформироваться в Петроев при русификации. Но это скорее исключение, чем правило. Сегодня фамилия остаётся редкой, и её носители, как правило, могут проследить свои корни до южных регионов бывшей Российской империи или до эмигрантов из балканских стран.