Фамилия Петрюков образована от имени Петря, которое, в свою очередь, является просторечной формой канонического имени Пётр. Это имя пришло на Русь с крещением из Византии и означает «камень» или «скала» (от греческого πετρος). В быту имя Пётр было чрезвычайно популярно, что породило десятки уменьшительных вариантов: Петруня, Петруха, Петряй, Петряк — и, наконец, Петря. Форма Петря могла звучать как ласковое обращение к ребёнку или к младшему по возрасту, а в некоторых говорах — как нейтральное обиходное имя.

Суффикс -юк в основе Петрюк указывает на западнорусское или украинское происхождение. В белорусских и украинских землях суффикс -юк (-чук) был одним из самых распространённых патронимических показателей, означающих «сын такого-то» или «потомок». Таким образом, Петрюк — это прямое указание на родство: «сын Петри» или «маленький Петря». Фамилия Петрюков — это уже русифицированная форма, адаптированная под стандартную русскую модель на -ов. Её носитель, скорее всего, происходил из семьи, где предка звали Петрюк, а при переезде в центральные губернии России или при оформлении документов фамилию привели к привычному окончанию.

Вероятно, первые Петрюковы жили на территории современной Украины или юго-западных областей России (Брянщина, Смоленщина), где смешивались восточнославянские диалекты. Позже, в XVIII–XIX веках, с распространением крепостного права и переселениями, фамилия могла распространиться и на север. В отличие от фамилий с суффиксом -ов, образованных от полных имён (Петров), Петрюков несёт в себе отчётливый отпечаток народной, «домашней» формы имени. Это не официальное «Пётр», а скорее то, как называли человека в семье или среди соседей.

Редкий случай, когда фамилия сохранила двойную патронимическую цепочку: сначала от Петри к Петрюку, а затем от Петрюка к Петрюкову. Это делает её ценным свидетельством того, как в народной среде имя могло обрастать новыми суффиксами, прежде чем закрепиться в качестве родового прозвания.