Petersen wurde 1953 in der Stadt Evanston im US-Bundesstaat Illinois geboren, wuchs aber in Boise, Idahodänischer Immigranten, er selbst das jüngste von sechs Kindern. Petersen verließ die Familie mit 15 Jahren und zog zu einem Bruder. 1974 zog er mit seiner späteren Ehefrau nach Spanien, wo er auch heiratete und seine Tochter Maite bekam. 1975 studierte er mit einem Sport-Stipendium an der Idaho State University und zog später nach Chicago, wo er der Steppenwolf Theatre Company beitrat. 1979 gründete er in Chicago sein eigenes Theater-Ensemble. auf. Seine Familie war die vierte Generation

Nach kleineren Rollen übernahm Petersen 1985 die Hauptrollen in den Erfolgen Leben und Sterben in L.A. und Blutmond. Bei letzterem (auch bekannt als Roter Drache) handelt es sich um die erste Verfilmung eines Hannibal Lecter-Romans von Thomas Harris. Die Möglichkeit, sich als Action-Held in den 1980er zu etablieren, verpasste er, als er ein Angebot in Oliver Stones Vietnam-Drama Platoon (1986) ablehnte. Er wäre dadurch für längere Zeit von seiner Familie getrennt gewesen und hätte sich auf die Dreharbeiten mit einem militärischen Training vorbereiten müssen. Seitdem schlug er sich mit kleineren Rollen und Fernsehauftritten durch, bis er im Jahr 2000 die Hauptrolle in der extrem erfolgreichen CBS-Serie CSI: Den Tätern auf der Spur übernahm, die er auch produzierte. In der Rolle des charismatischen Chefermittlers Gilbert „Gil“ Grissom stieg seine Popularität ungemein, 2004 wurde er für einen Golden Globe in der Kategorie Bester Serien-Hauptdarsteller – DramaCSI-Team den Screen Actors Guild Award für hervorragende Leistungen der Schauspieler einer Fernsehserie. nominiert, 2005 erhielt er mit seinem

1990 übernahm er in The Kennedys of Massachusetts die Rolle von Joseph P. Kennedy, 1998 stellte er John F. Kennedy in Frank, Dean & Sammy tun es über das Rat Pack dar.

In einigen 2007 gedrehten Folgen von CSI: Den Tätern auf der Spur fehlte William Petersen, da er einen fünfwöchigen Auftritt im Theaterstück Dublin Carol als John Plunkett hatte.

Petersen nutzt die Popularität seiner CSI-Figur auch, um die Stellung der forensischen Wissenschaft im US-Justizsystem und die finanzielle Versorgung der Kriminallabore zu verbessern, dafür plädierte er am 15. Mai 2001 sogar vor dem Justizausschuss des Senats.

Petersen ist in zweiter Ehe mit der Highschool-Lehrerin Gina Cirone verheiratet und hat aus seiner ersten, 1981 geschiedenen Ehe mit Joanne Brady eine Tochter. Außerdem hat er eine eigene Produktionsfirma names High Horse. Petersen verdient für jede CSI-Folge ca. 500.000 US-Dollar und war somit zeitweise der bestbezahlte Seriendarsteller.

Petersen hat angekündigt, ab der elften Folge der neunten Staffel nicht mehr als Stamm-Schauspieler bei CSI tätig zu sein. Er bleibt jedoch der Serie als ausführender Produzent und in Form von Gastauftritten erhalten.

Am 3. Februar 2009 bekam er seinen eigenen Stern auf dem Walk of Fame in Hollywood.

• 1981: Der Einzelgänger (Thief)
• 1985: Leben und Sterben in L.A.
• 1986: Blutmond (auch: Manhunter – Roter Drache)
• 1987: Schweigende Stimmen
• 1987: Long Gone
• 1989: Seitensprünge (Cousins)
• 1990: Blaze of Glory – Flammender Ruhm
• 1990: The Kennedys of Massachusetts
• 1991: Der Mann meiner Frau (Hard Promises)
• 1992: Ein verrückter Leichenschmaus
• 1992: Keep the Change
• 1993: Perfect Crimes (Fernsehserie)
• 1993: Curacao
• 1993: Wildes Land (Return to Lonesome Dove)
• 1995: Nach eigenen Regeln
• 1995: Street War – Straßen der Gewalt
• 1995: Present Tense, Past Perfect
• 1996: Fear – Wenn Liebe Angst macht
• 1997: Die 12 Geschworenen
• 1997: Beast – Schrecken der Tiefe
• 1998: Frank, Dean & Sammy tun es
• 1998: Gunshy – Aus Leidenschaft zum Mörder
• 1998: The Staircase
• 1999: Kiss the Sky
• 2000: The Skulls – Alle Macht der Welt
• 2000: Rufmord – Jenseits der Moral
• seit 2000: CSI: Den Tätern auf der Spur (Fernsehserie)
• 2001: Haven