Фамилия Петюнька — редкий случай, когда фамилия по форме совпадает с уменьшительно-ласкательным именем. В русской ономастике это так называемая «фамилия-имя», которая не подверглась стандартной суффиксации (-ов, -ев, -ин). В основе лежит имя Пётр, а точнее — его народная, просторечная форма Петюня.

Механизм образования простой: от имени Пётр образовали уменьшительное Петя, от него — ещё более ласковое Петюня (с суффиксом -юн-, как в словах «малюня», «вертунья»). Форма Петюнька — это уже третья ступень «уменьшительности» (суффикс -к-). В XIX — начале XX века в крестьянской и мещанской среде такие ласкательные формы могли закрепиться как неофициальные фамилии или уличные прозвища, которые затем переходили в документы. То есть предок носителя фамилии, скорее всего, был Петром, но в быту его звали именно Петюнькой — настолько прочно, что это стало родовым именем.

С географической точки зрения фамилия тяготеет к западнорусским и украинско-белорусским говорам, где суффикс -юн- и уменьшительные формы на -ка особенно распространены. В центральной России такую фамилию могли «исправить» при переписи на Петюнин или Петюнькин, но в чистом виде Петюнька сохранилась у тех, кто жил вдали от бюрократических центров или чья семья не проходила через массовую унификацию фамилий в XIX веке.

Словообразовательная модель здесь уникальна: это не патроним (сын Петюньки), а прямое прозвище-имя. В отличие от фамилий Петров или Петухов, Петюнька не указывает на род занятий или отца, а фиксирует личное, домашнее обращение. Поэтому носитель такой фамилии может с высокой вероятностью считать, что его предок был просто «своим парнем» в деревне — человеком, которого все знали как Петюньку, и это прозвище пережило его самого.