Фамилия Петролай — редкая и неочевидная с точки зрения происхождения. На первый взгляд она звучит как искусственная или книжная, но на самом деле у неё, скорее всего, конкретная географическая и языковая основа.

Самая вероятная версия — фамилия образована от названия населённого пункта Петролай. Такие топонимы встречаются в Литве (Petroliai) и в исторической Восточной Пруссии (ныне Калининградская область). В этом случае фамилия Петролай — это типичная для западных регионов Российской империи (Литва, Беларусь, Польша) фамилия на -ай, указывающая на выходца из определённой местности. Суффикс -ай здесь выполняет ту же роль, что и русские -ский/-цкий: «тот, кто из Петролая». В польской и литовской ономастике такие фамилии (Петролай, Бортолай, Янулай) не редкость.

Второй вариант, менее вероятный, но возможный — сложение двух основ: «Петр» (имя) и «лай» (от глагола «лаять» или прозвища Лай). Однако для славянских фамилий такое прямое соединение имени с глаголом в повелительном наклонении («Петро-лай») нетипично. Скорее всего, здесь мы имеем дело с народным переосмыслением уже готового топонимического названия.

Третий, самый спорный вариант — связь с румынским словом petrol (нефть) и суффиксом -ай. Но нефтяная промышленность в Румынии начала активно развиваться лишь в конце XIX века, а фамилии такого типа (профессиональные, от «нефтяник») образовывались бы иначе — через суффиксы -еску или -ой. Эта версия выглядит искусственной и натянутой.

Вывод: носитель фамилии Петролай, скорее всего, происходит из литовского или польско-белорусского пограничья, а его предок получил прозвище по месту жительства — из местечка Петролай. Фамилия не имеет отношения к нефти, несмотря на созвучие, и не является древней боярской или дворянской — это типичная поздняя фамилия крестьян или мещан, закрепившаяся в XIX веке.