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 5945° nella regione Toscana Il cognome Petrai è 1981° nella provincia di Livorno Il cognome Petrai è 172° nel comune di PALAZZO PIGNANO (CR)