Фамилия Петровкая — редкий и необычный случай в русской ономастике. На первый взгляд она кажется вариантом распространённой фамилии Петровский, но суффикс -ская указывает на польское или западнорусское происхождение, а написание через «о» (Петровкая, а не Петровская) — на возможную ошибку в документах или сознательное упрощение при записи. В русской традиции фамилии на -ский/-цкий чаще встречаются у дворянства и духовенства, но Петровкая явно выбивается из ряда.

Основа фамилии — имя Пётр (от греческого «камень»). Суффикс -ов- в середине (Петров-) указывает на принадлежность: «Петров» — сын Петра. Окончание -кая — это типичный польский или украинский вариант окончания -ская, закрепившийся в фамилиях, образованных от названий мест (например, Петровкая — из села Петрово или Петровка). В польском языке фамилии вроде Piotrowska (Пётровска) пишутся через -owska, и при русификации буква «в» могла перейти в «к» из-за особенностей произношения или канцелярской записи.

География фамилии Петровкая связана в первую очередь с западными регионами бывшей Российской империи — Украиной, Беларусью и юго-западными губерниями России (Курская, Воронежская). Там часто встречались поселения с названием Петровка, и жители таких деревень получали фамилию по месту жительства. Если предок был крестьянином или казаком, фамилия могла закрепиться именно в такой форме — без дворянского лоска, но с чёткой привязкой к местности.

Спорный момент: некоторые исследователи считают Петровкая искажением фамилии Петровский из-за акающего произношения (в южных говорах «Петровский» звучит как «Петровской», а на письме закрепилось как «Петровкая»). Однако более правдоподобна версия о самостоятельном образовании от топонима — так как в польских и украинских метриках XVII–XVIII веков встречаются варианты Petrowka, Petrowsky, а окончание -кая фиксируется именно у выходцев из сёл, а не у шляхты.

Социальный контекст: носители фамилии Петровкая, как правило, не принадлежали к высшему сословию. Это фамилия крестьян, мещан или однодворцев (потомков служилых людей на южных границах). В списках XIX века она встречается редко, что говорит о её локальном характере. Сегодня фамилия Петровкая — скорее всего, результат упрощения при переезде в город или ошибки паспортиста в советское время, когда многих записывали «на слух».