Фамилия Петроя — редкий случай, когда имя-основа и суффикс поменялись местами. В русских фамилиях чаще всего суффикс стоит после корня: Петров, Петрович, Петрухин. Здесь же финальное -оя — это не типичный русский суффикс, а, скорее всего, румынский или молдавский патронимический показатель, аналогичный русскому -ов/-ев. В румынском языке суффикс -oiu (в русской передаче часто -оя) образует фамилии от личных имён: Петроя буквально означает «Петров» или «из рода Петра». Таким образом, предок носителя фамилии был, вероятно, выходцем из Молдавии, Бессарабии или исторической области Буковина, где такие фамилии распространены.

Основа Петр — это церковное имя, которое пришло на Русь вместе с христианством из греческого (petros — «камень», «скала»). Имя было чрезвычайно популярно, поэтому и фамилий от него образовано множество: от Петрова до Петряева. Но Петроя стоит особняком: она сохранила не славянскую, а романскую модель словообразования. В русских говорах, особенно на юге, фамилии на -оя могли возникать и под влиянием украинского языка, где окончание -ий в фамилиях иногда редуцируется до -ой, но в случае с Петроя это маловероятно — скорее всего, перед нами прямой перенос румынской фамилии.

По сословной принадлежности носители фамилии Петроя в Российской империи относились к крестьянам или мещанам, часто — к однодворцам южных губерний. Фамилия недворянская, её нет в «Бархатной книге» или списках столбового дворянства. Встречается она в основном в тех регионах, где исторически жили молдаване или русины: в Одесской области, на левобережье Днестра, в Черновицкой области. В современной России фамилия редкая, единичные случаи зафиксированы в Краснодарском крае и Ростовской области — результат переселений конца XIX — начала XX века.

Интересная деталь: в молдавском языке ударение в фамилии Петроя падает на последний слог, что для русского уха звучит непривычно. В русской среде ударение часто смещается на второй слог — Петро́я, по аналогии с фамилиями типа Золоя, Боровоя. Это типичный пример адаптации иноязычной фамилии к русской фонетике, когда исходная модель начинает «подравниваться» под привычные окончания прилагательных.