Самый младший из шести детей в семье. Его родители занимались мебельным бизнесом. Отец имеет датско-американские корни, а мать немецко-американские.
Уильям окончил среднюю школу Bishop Kelly High School в Бойсе, Айдахо, в 1972 г., играл в местной футбольной команде, и был принят в государственный Университет Айдахо. В сохранившемся форменном командном свитере актер появлялся во многих своих фильмах.
Именно в университете Петерсен попал на актерские курсы, чтобы улучшить успеваемость по другим предметам, что вскоре изменило все его жизненные приоритеты. В 1974 г. последовал за профессором драмы в автономную область на севере Испании, в Страну Басков, где учился как актер шекспировской команды. Петерсен интересовался баскской культурой, изучил баскский язык, эускера, и дал своей дочери баскское имя Майт, подразумевающее под собой любовь.
Петерсен вернулся в Айдахо с намерением стать актером. Не найдя работы, но и не желая бездействовать, он движется в Чикаго, к родственникам. Позже Петерсен стал играть в театре и заработал себе актерскую карту «Эквити». Работая вместе Театральной Компанией Steppenwolf, стал соучредителем Remains Theater Ensemble, в который входили такие видные чикагские актеры, как Гэри Коул и Тед Ливайн. На театральном помосте Петерсен участвовал в постановках «Суть преступления», «Ночь игуаны», «Время твоей жизни», «Трамвай ‘Желание’», «Гленгарри Глен Росс», «Безумие от любви». Дебютировал на Бродвее с той же «Ночью Игуаны», а за постановку «Суть преступления» получил награду Джозефа Джефферсона.
Уильям, снявшись в главной роли агента ФБР Уилла Грэма в фильме Майкла Манна «Охотник на людей» («Manhunter»), в котором он гонялся за маньяком-убийцей (персонаж известного актера Тома Нунана), по мнению зрителей, был чем-то похож на Гила Гриссома из сериала «CSI: Место преступления», который выбрали Лучшим Драматическим сериалом 2003 года.
Актер жертвовал своей карьерой в пользу семьи, когда не захотел долго пребывать на Филиппинах на съемках фильма Оливера Стоуна «Platoon», вместо этого выбрав работу в картине 1987 г. «Long Gone» («Долгий путь») Мартина Дэвидсона.
В 1985 г. актер появится в боевике Уильямя Фридкина «Жить и умереть в Лос-Анджелесе» («To Live and Die in L.A.») в роли Ричарда Чанса. Петерсену предлагали роль Генри Хилла в ленте «Goodfellas» («Славные парни»), но он так и не появился в ней. В 1993 г. он сыграл в мини сериале Майка Роуба «Return to Lonesome Dove» и в 1996 г. в «Страхе» («Fear») Джеймса Фоли. В обоих проектах характеры Уильяма носили фамилии «Уокер»: Гидеон Уокер и Стив Уокер.
В 2000-м г. вышел в свет триллер Рода Лури «The Contender» («Претендент»), где Петерсен сыграл роль губернатора Джека Хатэвэя, беспринципного кандидата в вице-президенты. Он также, даже не упоминаясь в титрах к фильму, снялся в триллере Ли Тамахори «Скала Малхолланд» («Mulholland Falls») в роли бандита мафии Джека.
С 2000-го года Петерсен снискал наибольшую популярность, играя главную роль доктора Гила Гриссома в криминальном сериале канала CBS «CSI: Место преступления». Он перерывал участие в съемках, чтобы участвовать в пятинедельной кампании Trinity Repertory в городе Провиденсе. По сообщениям, актер возобновит контракт с каналом CBS, чтобы вновь появиться в популярном сериале ««CSI: Место преступления»» в течение сезонов 2008-2009 гг. За участие в одном эпизоде предполагается оплата в 600 тыс. долларов!
За роль в фильме Ламонта Джонсона «Кеннеди из Массачусетса»(« Kennedys of Massachusetts») актер получил премию «Золотой глобус».
В июне 2003 г. Петерсен женился на своей старой подруге, преподавательнице биологии Джине Цирон. От предыдущего брака есть дочь Майт (Майт родила Уильяму внука Мазрика в октябре 2003 г.).
Петерсен активный болельщик профессионального бейсбольного клуба Чикаго Кабс.
В 2004 году журналу Playboy Magazine Петерсен описал свой смертельный опыт 1980-х гг., который уверил актера в том, что загробная жизнь все-таки существует.
В 2007 году актер принял участие в забастовке сценаристов.