Petersen 81 évesen, rákbetegség következtében halt meg még pénteken. Asszisztense szerint békésen, családja körében szenderedett örök nyugalomra Los Angeles-i otthonában. Felesége, Maria végig az oldalán volt.
A németországi Emden városában született és Hamburgban nevelkedett rendező szaktudását a berlini Film- és Televíziós Akadémián sajátította el.
Karrierje német bűnügyi televíziós sorozatokkal indult, de az igazi nemzetközi áttörést és az utat Hollywoodba számára a Jürgen Prochnow főszereplésével A tengeralattjáró című film hozta el, amelynek története egy búvárhajó legénységének mindennapjain keresztül mutatja be a háború kilátástalanságát.
Petersen 1987-ben költözött feleségével Los Angelesbe, ahol olyan híres színészeket tudott kamera elé csalogatni, mint Clint Eastwood, Dustin Hoffman, Harrison Ford, George Clooney és Brad Pitt.
Rendezésében készültek olyan nagysikerű filmek, mint a Végtelen történet (1984), a Vírus (1995), Az elnök különgépe (1997), a Viharzóna (2000), a Trója (2004) és a Poseidon (2006).
1991-es Szilánkok című filmjének (melynek főszerepeit Tom Berenger, Bob Hoskins és Greta Scacchi játszotta) a világhírű magyar művész, Kovács László volt az operatőre.