Вольфганг Петерсен родился 14 марта 1941 года в Эмдене в семье купца. Его детство проходит в Гамбурге, где он посещает школу и заканчивает гимназию. Уже в это время снимает первые 8 мм фильмы. В 1960—1964 годах — ассистент режиссёра в «Молодом театре» в Гамбурге, там же в качестве режиссёра ставит свой первый спектакль; посещает актёрскую школу. В 1965—1966 годах изучает театроведение в Западном Берлине и Гамбурге. В 1966—1969 годах учится в Академии кино и телевидения в Западном Берлине. Его часовой дипломный фильм «Я тебя убью, Вольф» (Ich werde dich t?ten, Wolf) покупает телевидение. Петерсен регулярно снимает телевизионные фильмы (в частности для популярный серии «Место преступления»), которые пользуются успехом у зрителей и критиков.
В 1974 году он получает премию за фильм «Один из нас двоих» (Einer von uns beiden, 1973). В 1977 году фильм «Последствие» (Die Konsequenz, 1977) с Юргеном Прохновым о гомосексуальных отношениях вносит разлад в систему Первого немецкого телевидения (Баварское телевидение отказывается показывать его на своей территории), но при этом получает большой зрительский резонанс. За границей «Последствие», а также его телефильмы «Аттестат зрелости» (Reifezeugnis, 1977), в котором молодая Настасья Кински исполняет первую главную роль, и «Черное и белое, как дни и ночи» (Schwarz und weiss wie Tage und N?chte, 1978), психотриллер о фанатичном шахматисте (Бруно Ганц), с успехом демонстрируются в кинотеатрах.
В 1980 году по причине его отличной режиссёрской репутации студия «Бавария» (после разногласий с различными американскими режиссёрами) поручает Петерсену ориентированную на международный рынок крупномасштабную постановку фильма «Лодка» (Das Boot, 1981) по роману Лотара-Гюнтера Буххайма. Жёсткий и реалистичный фильм (в кино- и телевариантах) вызывает дискуссию относительно изображения войны подводных лодок, а его успех у зрителя в Западной Германии и за рубежом венчают 6 номинаций на «Оскар» (режиссура, сценарий, камера, монтаж, звук, монтаж звука).
После этого Петерсен отвечает за режиссуру фильма «Бесконечная история» (Die unendliche Geschichte, 1983) по бестселлеру Михаэля Энде с бюджетом более 50 миллионов немецких марок. Как и в случае с фильмом «Лодка», автор литературного первоисточника дистанцируется от экранизации, что скорее ещё больше повышает зрительский интерес.
С 1984 года Вольфганг Петерсен работает в Голливуде. На данный момент он начал работать над киноэкранизацией известного романа Ясутаки Цуцуи «Паприка», по которому несколько лет назад было снято одноимённое аниме.