Międzynarodową sławę przyniósł Petersenowi "Okręt" (Das Boot) z 1981 roku, opowiadający o losie załogi jednego z wielu U-Bootów pływających po Atlantyku podczas II wojny światowej. Następnie zaczął produkować filmy w Hollywood, gdzie zrealizował m.in. "Niekończącą się opowieść", "Okruchy wspomnień" czy "Na linii ognia".
W jego filmach grały aktorskie gwiazdy: Harrison Ford i Gary Oldman ("Air Force One"), Clint Eastwood i John Malkovich ("Na linii ognia"), Dustin Hoffman i Rene Russo ("Epidemia"), czy Brad Pitt i Orlando Bloom ("Troja").
Karierę reżyserską rozpoczął na początku lat 60. ubiegłego wieku w teatrze, potem pracował w telewizji. W 2016 roku ukończył swój ostatni film - "Jak rozbić bank".
