Фамилия Петряйкин образована от имени или прозвища Петряйка. Это уменьшительная форма от крестильного имени Пётр (в переводе с греческого «камень»), но с характерным восточнославянским суффиксом -яй-, который придаёт слову разговорный, порой фамильярный оттенок. Такие формы были типичны для бытового обихода в XV–XVII веках: Петряй, Петряйка — так могли звать младшего сына, слугу или просто человека, которого в семье или в деревне называли запросто, с оттенком ласки или пренебрежения.

Суффикс -ин в окончании фамилии указывает на принадлежность: Петряйкин буквально означает «сын Петряйки» или «человек из семьи Петряйки». Это типичная модель русских фамилий, закрепившаяся в XVI–XVII веках в среде крестьян и посадских людей, когда отчество на -ин становилось наследственным. В отличие от фамилий на -ов, которые чаще образовывались от имён на твёрдый согласный (Петров), вариант на -ин закрепился за основами, оканчивающимися на -а, -я.

Географически фамилия Петряйкин не имеет резкой привязки к одному региону, но чаще встречается в центральных и северных областях России — в бывших Владимирской, Костромской, Ярославской губерниях. Там окающие говоры лучше сохраняли формы с -яй- (Петряй, а не Петрей). В южных и западных землях аналогичное имя чаще звучало как Петрик или Петрусь, поэтому фамилия там редка.

Стоит отметить, что основа Петряй могла быть и мирским прозвищем, не связанным напрямую с именем Пётр. В русских диалектах слово «петряй» иногда употребляли в значении «неповоротливый, медлительный человек» — от глагола «петрять» (путаться, мешкать). Однако эта версия менее вероятна: большинство фамилий на -яйкин образованы именно от канонических имён (Матвей — Матвяйкин, Тимофей — Тимошкин, Пётр — Петряйкин), и народная этимология здесь вторична.

В целом Петряйкин — одна из тех фамилий, которые несут в себе отпечаток живой разговорной речи Древней Руси, где полное имя сокращали до домашнего, а потом это прозвище становилось родовым. Никакого дворянского или служилого происхождения у неё нет: типичная крестьянская или посадская фамилия, которая закрепилась в XVI–XVII веках и дошла до наших дней почти без изменений.