Фамилия Петрохалкина — редкий случай, когда в одной основе соединились два разных корня: греческий и тюркский. Первая часть, «Петро-», восходит к греческому имени Пётр (камень), широко распространённому на Руси после крещения. Вторая часть, «-халка», — куда более неожиданная. Скорее всего, это искажённое тюркское слово «халк» (народ, племя) или «халка» (серьга, кольцо). В русских фамилиях тюркские элементы нередко переосмыслялись на слух, и «халка» могла превратиться в прозвище человека, носившего серьгу или имевшего отношение к торговле с южными соседями.

По словообразовательной модели фамилия женская, с суффиксом -ин-, указывающим на принадлежность: Петрохалкина — дочь или жена Петрохалки. Мужской вариант, Петрохалкин, образован по той же схеме, что и тысячи русских фамилий от прозвищ, оканчивающихся на согласный. Такой тип распространён в центральных и южных губерниях России, где смешение славянских и тюркских элементов было обычным делом — в казачьих областях, на Нижней Волге, в Приазовье.

Само прозвище Петрохалка могло возникнуть в среде, где люди говорили на двух языках или жили рядом с носителями тюркских наречий. Например, в слободах или на ярмарках, где греческие имена соседствовали с тюркскими бытовыми словами. Человека с крестильным именем Пётр, которого за характерную деталь (серьгу, кольцо, говор) прозвали «халка», и записали в документах как Петрохалку. Со временем прозвище закрепилось за потомками.

Никаких известных дворянских родов с этой фамилией не зафиксировано — она явно крестьянская или мещанская, что подтверждается её редкостью и нестандартным составом. В дореволюционных переписях Петрохалкины встречаются единично, и география их расселения ограничена южными регионами: Курская, Воронежская губернии, а также земли Войска Донского.

Особенность фамилии ещё и в том, что её написание не устоялось. В метрических книгах XIX века можно найти варианты Петрохалкин, Петрохалка, а иногда и Петрохалков — последний с русским суффиксом -ов-, который вытеснял тюркское окончание. Современная форма Петрохалкина сохранила редкий гибридный облик, который сразу выдает необычную историю предков.