1941'de o zamanlar Prusya bölgesi içinde kalan, günümüzde Almanya'nın kuzeybatısında yer alan Emden kasabasında doğdu. Hamburg'da yönetmenlik eğitimi aldı. Daha sonra Berlin Film ve TV Akademisi'ne kaydoldu. Bu yıllarda daha çok TV yapımlarıyla ilgilendi. 1974'te ilk uzun metrajlı sinema filmi Einer von uns beiden'i çekti. 1977'de çektiği ikinci filmi Die Konsequenz ise eşcinsellikle ilgili konusu nedeniyle çok tartışıldı. 1981 yılında ona büyük ün getiren 'Das Boot' filmi, 6 dalda Oscar'a aday oldu. 2. Dünya Savaşı'nda okyanuslarda savaşan bir denizaltı mürettebatını anlatan film, 2. Dünya Savaşı'yla ilgili çekilmiş en iyi filmler arasına girdi. Bu filminin ardından Hollywood destekli uluslararası prodüksiyonlarda çalışmaya başladı.

Tamamen Hollywood desteğiyle çektiği ilk filmi 'Enemy Mine' (1985) çok büyük ses getirmedi. 1993'te Clint Eastwood'un başrolde oynadığı 'In The Line of Fire' ve 1995 yapımı tıbbi felaket filmi 'Outbreak' ile önemli gişe geliri elde etti. Petersen, bir sonraki filmi 1997 yapımı 'Air Force One' ile yine adından çok söz ettirdi. Uçağı kaçırılan ABD Başkanı rolünde Harrison Ford'un oynadığı film, 90'lı yılların en akılda kalan aksiyon-macera filmleri arasına girdi.

Petersen 2000 yılında bir başka felaket filmi Kusursuz Fırtına'yı yönetti. 2004 yılında ise antik çağlar epiği Truva'yı (Troy) beyazperdeye aktardı. 2006'da ise bir başka epik, Poseidon ile seyircilerle buluştu. Film gişede başarı elde edemedi.

İlk evliliğini Ursula Sieg ile gerçekleştiren Petersen, 1978'den beri Maria Borgel-Petersen ile evlidir.