Fiatalkora és tanulmányai
Az Illinois állambeli Evanstonban született, bútorüzletben dolgozó szülök legfiatalabb, hatodik gyermekeként. Az apja a dán-amerikai id. Arthur Edward Petersen (1907–2004) és az édesanyja a német-amerikai June Hoene Petersen (1909–2006) volt. Két bátya van, az ifj. Arthur és Robert, és három nővére: Anne, Mary Kay, és Elizabeth. 1972-ben elvégezte a Bishop Kelly középiskolát az idahói Boiseban. Felvételt nyert az Idahoi Állami Egyetemre egy labdarúgó-ösztöndíj által.
Amíg Idahoban élt, Petersen felvett egy olyan színjátszókurzust, ami megváltoztatta az egész élete irányát. 1974-ben a feleségével, Joanne-nel egyetemben befejezte az iskolát és követtek egy színi professzort Baszkföldre, ahol Shakespeare-i színészként tanult. Petersen érdeklődött a baszk kultúra iránt és tanulta a baszk nyelvet is. A lányának baszk nevet adott, Maite Nerea (jelentése: a kedvesem); Mondragónban született 1975-ben.
Pályafutása
Többnyire a középső kezdőbetűje nélkül tüntetik fel a stáblistákon (pl.: "William Petersen" és nem "William L. Petersen").
Petersen 1986-ban az első Hannibal Lecter filmben, az FBI ügynök, Will Graham karakterét alakította Az embervadász című filmben. Will Graham jelleme érzelmileg annyira kimerítő volt számára Michael Mann filmjében, hogy mindenképpen meg akart szabadulni a szerepétől és fő-fényképészként fejezte be a filmet. Leborotválta a szakállát, haját rövidebbre vágatta és szőkére festette.
2000 óta Petersen elnyerte a legnagyobb hírnevét, a CBS bűnügyi drámájával, CSI: A helyszínelőkkel, amiben a főszerepet alakító Dr. Gil Grissomot játssza. Petersen 2006 végén szabadságra ment a CSI-ból, hogy megjelenjen a Dublin Carol című darabban a Trinity Repertory társulat előadásában öt-héten át Providenceben.
Petersen megújította a CBS-sel való megállapodását, hogy szerepeljen A helyszínelők 2008-2009-es évadában, állítólag 600.000 dollárért epizódonként. 2008. július 15-én az Associated Press beszámolt arról, hogy Petersen otthagyja a sorozatot állandó szereplőként a 9. évad tizedik epizódját követően azért, hogy több időt szentelhessen a színjátszásnak, de vendégjelenetekre visszatérhet. Azt is megemlítette, ha szükséges, újra visszatér állandó főszerepébe Grissomként. Ezenkívül továbbra is megmarad a sorozat executive producerének.
2009. február 3-án Petersent egy csillaggal tisztelték meg a Hollywood Walk of Fame-en. A helyszínelők szereplőinek és stábjának a legnagyobb része elment az ünnepségre. Petersen csillaga a 6667 Hollywood Boulevardnál helyezkedik el, közvetlenül a legendás Musso & Frank Grill étterem előtt.
Magánélete
2003 júniusában vette feleségül élettársát, Gina Cirone-t. Az előző házasságából van egy lánya, Maite, akinek két gyermeke született: Mazrik William (2003 októberében) és Indigo August (2009 augusztusában). Petersen fanatikus Chicago Cubs rajongó és legalább egy évben egyszer elénekli személyesen a „Take Me Out to the Ballgame” (nem hivatalos baseball himnuszt) a Wrigley Field baseballpályán.
2004-ben a Playboy magazinnak leírta a 80-as évekbeli halálközeli élményét, ami bizonyosságot adott neki, hogy létezik a túlvilág.
