Фамилия Петропавловский почти наверняка относится к категории искусственных или семинаристских фамилий. Её не образовали от прозвища или ремесла; её сознательно сконструировали, чаще всего в стенах духовных училищ и семинарий в XVIII–XIX веках. В основе лежат имена двух апостолов — Петра (с греческого «камень») и Павла (с греческого «малый»), но напрямую от этих имён фамилию не производили. Решающую роль сыграло название церкви в честь этих святых — Петропавловская. Именно от неё, а не от самих имён, и пошла фамилия.

Словообразовательная модель здесь прозрачна: к названию храма или села Петропавловское добавили типичный для географических фамилий суффикс -ский. Такая модель указывала на принадлежность к месту, а не на род занятий. Человек, получивший фамилию Петропавловский, либо жил в селении с Петропавловской церковью, либо был приписан к этому приходу. За ним закреплялось прозвище «Петропавловский» — то есть выходец из Петропавловского, — которое затем становилось наследственной фамилией.

Важно различать два пути происхождения. В первом случае фамилию давали в семинарии, где будущему священнику или церковнослужителю присваивали фамилию по названию храма, в котором он служил или к которому был близок. Во втором случае фамилия возникала естественным путём у крестьян или мещан, живших в сёлах с названием Петропавловское. Таких сёл и деревень в Российской империи было множество, поэтому фамилия распространена по всей стране без выраженной региональной привязки.

Сравнение с однокоренными фамилиями помогает точнее понять происхождение. Петропавловский — форма с суффиксом -ский, которая исторически считалась более «благородной» и чаще встречалась у духовенства и дворянства. Простые крестьяне чаще получали фамилии на -ов или -ев, поэтому Петропавлов и Петропавловцев могли возникать независимо от церковной среды. Наличие именно формы на -ский — дополнительный аргумент в пользу семинаристского происхождения, хотя и не абсолютное доказательство.

Ударение в фамилии обычно падает на третий слог — ПетропавлОвский, что соответствует ударению в названии храма. В дореволюционных документах встречается и написание через одно «о» — Петропавловский, и редкий вариант Петропавловской, характерный для северных регионов, где фамилии на -ской бытовали в женском роде.

Известных носителей с этой фамилией много, но все они приобрели известность уже в XIX–XX веках, когда фамилия давно устоялась. Среди них есть учёные, врачи и военные, однако связать их с конкретным предком-священником или крестьянином из Петропавловского невозможно без генеалогического исследования. Сама фамилия не несёт следов социального статуса: её могли носить и потомки дьячка, и дети отставного солдата, приписанного к селу с Петропавловской церковью.