Фамилия Петровцев образована по редкой, но выразительной модели. В её основе лежит имя Пётр, а суффикс -цев указывает на происхождение от прозвища или фамилии, оканчивающейся на -ец. Проще говоря, Петровцев — это «сын Петровца» или «потомок того, кого звали Петровец». Такая цепочка встречается реже, чем прямое отчество Петров, и говорит о более позднем закреплении фамилии, когда в деревнях уже существовали прозвищные фамилии на -ец (Петровец, Ивановец), а их детям давали уже вторичные отчества на -цев.

Прозвище Петровец могло означать человека, который был как-то связан с именем Пётр: возможно, так звали крестьянина, принадлежавшего помещику Петру, или работника у человека по имени Пётр. В северных и центральных губерниях России такие формы на -ец нередко давали жителям одного села или выходцам из одной семьи, чтобы отличать их от однофамильцев. Например, в переписных книгах XVII века встречаются записи «Петровец» как указание на принадлежность к определённому роду или месту.

С точки зрения географии, фамилия Петровцев распространена неравномерно. Она чаще встречается в центральных областях России — в Тверской, Ярославской, Костромской губерниях, а также на Урале, куда переселенцы принесли свои фамилии в XVIII–XIX веках. В южных и западных регионах она редка, что подтверждает её севернорусские корни: суффикс -цев типичен для ойконимических и патронимических фамилий именно этой зоны.

Ономасиологи (например, Б. Унбегаун в «Русских фамилиях») отмечают, что фамилии на -цев образуют небольшую, но устойчивую группу. Они возникали в среде крестьянства и мещанства, когда нужно было уточнить родство: не просто «Петров», а «внук Петровца». Таким образом, Петровцев — фамилия, которая хранит память о конкретном предке по имени Пётр, но с дополнительным звеном: дед или отец носителя уже имел прозвищную фамилию, а потомки закрепили её в современном виде.