Potrebbe derivare da nomi di località identificabili dalla presenza di una pietraia, o anche dall'essere il capostipite un Mastro Pietraio ossia uno scalpellino.
Il cognome Petrai è tipico del livornese. Petraia, raro, parrebbe romano. Petraio, sempre rarissimo, è del napoletano.
Il cognome Petrai è 5841° nella regione Toscana Il cognome Petrai è 1921° nella provincia di Livorno Il cognome Petrai è 162° nel comune di SUVERETO (LI)