Фамилия Петропавлова — женская форма фамилии Петропавлов, которая образована от имени собственного, а не от названия профессии или прозвища. В её основе лежит сложное составное имя Пётр и Павел, точнее — от названия церковного праздника или храма в честь святых апостолов Петра и Павла. Это так называемая «календарная» фамилия, возникшая по той же модели, что и Рождественский, Успенский или Благовещенский, но с другим суффиксом.

В русской ономастике фамилии на -ов/-ев обычно указывали на принадлежность: «чей сын?» — Петропавлов, то есть сын человека, которого звали или прозывали Петропавлом. Однако в данном случае имя Петропавл в быту почти не встречалось. Вероятнее, что фамилия произошла от названия села или деревни Петропавловка — таких в России десятки, особенно на юге и в Сибири. Крестьянин, переселившийся из такого села в другое место, получал прозвание по месту прежнего жительства: «Петропавловский» или, в упрощённом варианте, «Петропавлов».

Мужской вариант Петропавлов фиксируется в документах с XVII–XVIII веков. В некоторых случаях фамилию могли дать воспитанникам духовных училищ и семинарий — это была распространённая практика: ученику присваивали фамилию по названию храма, при котором он жил или учился. Поэтому Петропавловы — это часто потомки церковнослужителей, выходцев из сёл с храмом в честь Петра и Павла.

Женская форма Петропавлова не требует отдельного разбора: она образована стандартным русским способом замены окончания на -а и указывает на женщину из рода Петропавловых. В дореволюционных метрических книгах эта фамилия встречается и у крестьянок, и у мещанок, и у купчих — сословной привязки у неё нет.

Если сравнивать с однокоренными фамилиями, то Петропавлова стоит в одном ряду с Петропавловским (с более книжным, «дворянским» суффиксом -ский) и с Петропавловцевым (указывающим на жителя конкретного села). Петропавлова — самая «бытовая», простая по форме, и потому самая распространённая среди них.