William Petersen kétségkívül a Helyszínelők Gil Grissomjának megformálásával került be a köztudatba, legalábbis a tévénézők körében. Csendes, bölcs, kissé atyáskodó figuráját egyből megkedveltük, de a Helyszínelők sikeréhez más módon is hozzájárult: a CBS vezetői jórészt az ő véleményére adva vásárolták meg a forgatókönyvet, és az ő határozott fellépése miatt hagyták végül cenzúrázatlanul a naturális képi megvalósítást.
A színész korábban több tévés produkcióban részt vett, de inkább a tévéfilmeket részesítette előnyben, sorozatban keveset láthattuk: vendégszerepelt például az Alkonyzóná-ban, és pár minisorozatban is megfordult. Tévéfilmjei közül emlékezetes volt többek között a Tizenkét dühös ember 1997-es feldolgozása (melyben olyan színészek játszották a többi esküdtet, mint Jack Lemmon, Armin Mueller-Stahl vagy a Maffiózók Tony Sopranója, James Gandolfini) vagy az egy évvel későbbi The Rat Pack, amely Frank Sinatrát és zűrös baráti körét mutatta be a közönségnek.
A dán és német ősökkel rendelkező Petersen színpadi színészként kezdte pályáját, játszott a jónevű Steppenwolf Theatre Companynél is, melynek egyik alapítója egyébként a New York-i helyszínelők későbbi főhőse, Gary Sinise volt. Ezután maga Petersen is részt vett egy színitársulat, a Remains Theater Ensemble megalapításában. A színészetet - egyik professzorát követve - Baszkföldön tanulta ki, ahol beleszeretett a baszk kultúrába, lányának is a Maite nevet adta, ami baszk nyelven szerelmet jelent.
Első komolyabb filmes szerepét 1986-ban kapta, Michael Mann Az embervadász című filmjében, amely a Hannibal Lecter-sztori első ismertebb feldolgozása volt. Petersen a sorozatgyilkos fejével gondolkodó FBI-ügynököt jelenítette meg, de állítólag kis híján beleőrült ebbe a játékba. Sötét gondolataitól, illetve filmbeli személyiségétől csak úgy tudott megszabadulni, hogy a forgatás végeztével teljesen megváltoztatta külsejét: szakállát leborotválta, haját pedig szőkére festette.
Petersen Az embervadász-ban
Ugyanebben az évben visszautasított egy szerepet A szakasz-ban, mert a forgatás a Fülöp-szigeteken zajlott, Petersen pedig nem akart távol lenni a családjától. A kultikussá vált háborús film helyett inkább egy jelentéktelen tévéfilmet forgatott Long Gone címmel, mely egy alsóbb ligában játszó baseball-csapat erőfeszítéseit mutatja be. Pár évvel később ugyanígy nemet mondott a Nagymenők alkotóinak felkérésére is - akkor inkább a Kennedys of Massachusetts című minisorozatban szerepelt, és megmutatta magát A Vadnyugat fiai második részében is.
Az igazi népszerűséget a Helyszínelők hozta meg neki, de úgy tűnik, mára belefáradt Gil Grissom szerepébe: a kilencedik évadra ugyan még rábólintott, de a szerződést csak arra az egy szezonra írta alá. Ennek megfelelően másfelé is kacsintgat: ősszel a Dublin Carol című színdarabban lép fel, melynek kedvéért már tavaly kihagyott négy epizódot a Helyszínelők-ből.