Фамилия Петрозенко — характерный пример украинской модели фамилий на -енко, которая в XVII–XVIII веках распространилась на Левобережной Украине, Слобожанщине и Кубани. Суффикс -енко в украинской ономастике выполнял ту же роль, что русский -ович/-евич: он указывал на сына или потомка человека, чьё имя легло в основу. То есть Петрозенко — буквально «сын Петра», «Петрович».

Основа фамилии — каноническое имя Пётр (от греческого petros — «камень»). В украинской народной среде имя Петро было одним из самых распространённых, поэтому фамилии с этим корнем встречаются часто: Петренко, Петров, Петриченко, Петраш. Петрозенко стоит в этом ряду особняком: суффикс -озенко нестандартен. Скорее всего, это не самостоятельная модель, а фонетический вариант: в украинских говорах имя Петро могло звучать как Петроз (с твёрдым [о] в окончании), отсюда и форма Петрозенко. Либо это результат смешения двух суффиксов — -оз- (как в фамилиях Яковозенко, Григорозенко) и -енко, что встречается в западных регионах Украины.

Географически фамилия редкая. Основной ареал — Полтавская и Черкасская области, а также южные районы России, куда переселялись украинские казаки. Сословно носители Петрозенко в XIX веке чаще всего были крестьянами или казаками, реже — мещанами. Дворянских родов с такой фамилией не зафиксировано.

Стоит отличать Петрозенко от похожей фамилии Петроженко: вторая образована от прозвища Петрожий (сравните с «рожа» — лицо), то есть имеет другую семантику. Петрозенко же остаётся в кругу отчеств, указывающих на имя отца.