Фамилия Петрохалкин — редкая и сложная по составу, что сразу выдаёт её искусственное, позднее происхождение. Она образована от полного имени Пётр и греческого слова «ха́лки» (χαλκός) — «медь», «бронза». Скорее всего, фамилия возникла в среде духовенства: в семинариях XVIII–XIX веков ученикам нередко давали фамилии, составленные из двух частей — имени святого и греческого или латинского корня, означавшего добродетель или качество. «Петрохалкин» буквально значит «Пётр-медник» или «Пётр, подобный меди», но не в смысле ремесла, а как метафора твёрдости и стойкости — медь в библейском контексте символизирует крепость духа.

Вторая часть фамилии — «-халкин» — происходит от греческого «халкеус» (медник, кузнец), но в данном случае это не указание на профессию предка. В духовных училищах фамилии часто конструировали из греческих основ, чтобы подчеркнуть благозвучие и книжность. Например, известны фамилии Халколиванов (от «медь» и «олива»), Хрисанфов (от «золото» и «цветок»). Петрохалкин стоит в том же ряду: это искусственная фамилия, которую могли дать ученику, носившему в миру фамилию Петров или Петрухин, или же просто в честь апостола Петра.

Суффикс «-ин» указывает на принадлежность: «чей?» — Петрохалкин, то есть сын или потомок Петрохалка. Но само прозвище Петрохалка не существовало в народной среде — это кабинетное изобретение семинарских наставников. Поэтому географическая привязка фамилии слабая: носители Петрохалкиных встречаются в основном в бывших духовных сословиях центральной России, реже — на юге.

С точки зрения словообразования, фамилия уникальна тем, что в ней соединились русское каноническое имя и греческая лексема — типичный приём для «семинарских» фамилий, но с редким корнем «халк». Аналогов в крестьянской среде нет: там использовали бы простую форму Петров или Петрухин. Таким образом, Петрохалкин — это не про ремесло, а про книжную образованность и церковную среду, где фамилию могли составить как символ веры.