Der in Emden geborene Regisseur lernte sein Handwerk an der deutschen Film- und Fernsehakademie in Berlin. 1971 hatte Petersen gleich mit dem "Tatort"-Krimi "Blechschaden" Erfolg. Die Folge "Reifezeugnis" mit Nastassja Kinski machte ihn und die junge Darstellerin über Nacht berühmt.
Das Epos "Das Boot" (1981) über eine deutsche U-Boot-Besatzung im Zweiten Weltkrieg, neben anderen mit Jürgen Prochnow und Herbert Grönemeyer, bahnte Petersen den Weg in die USA. Seit 1987 lebte der Regisseur mit seiner Frau in Los Angeles.