Фамилия Петропольская образована от названия города Петрополь — так в XVIII–XIX веках поэты и чиновники иногда называли Санкт-Петербург, используя греческую кальку: Петро- (камень) и -поль (город). В отличие от фамилий, возникших от названий реальных уездных городов (например, Уфимцев или Тверской), Петропольская книжная, искусственная. Скорее всего, её дали в духовном сословии: семинаристам, оканчивавшим Петербургскую духовную академию или служившим в столичных приходах, нередко меняли фамилию на благозвучную, связанную с местом учёбы или службы. В списках выпускников Петербургской семинарии XIX века попадаются Петропольские — это прямое указание на происхождение.

Суффикс -ск- указывает на принадлежность к местности или учреждению, а окончание -ая — женский род, то есть исходная форма фамилии — Петропольский. Такие фамилии на -ский/-цкий в Российской империи были типичны для духовенства и дворянства, реже для купечества, получившего фамилию «по городу». Версия, что фамилия могла возникнуть от прозвища «Петрополь» (житель Петербурга) в среде крестьян или мещан, маловероятна: в народной речи город называли Питером, а не Петрополем.

Географически фамилия редкая и встречается в основном на северо-западе России, особенно в Ленинградской и Новгородской областях, а также среди потомков петербургского духовенства, разъехавшихся по всей стране после революции. Встречается и написание через «о» — Петрапольская, но это результат аканья, а не осмысленного варианта.

Однокоренных фамилий в русском языке немного: Петропавловский (от названия крепости или храма), Петербургский (прямое указание на город), Петроградский (появилось после переименования в 1914 году). Петропольская стоит особняком — она самая книжная из них, почти поэтическая, и её носители почти наверняка связаны с церковной или образованной средой дореволюционного Петербурга.