Ταινίες:
* Να ζεις και να πεθάνεις στο Λος Άντζελες (1985)
* Ανθρωποκυνηγός (1986)
* Η Σιωπή των Αμνών (1991)
* Φόβος και απέχθεια στο Λας Βέγκας (1998)
* Ο υποψήφιος (2000)
* The Salton Sea (2002)
* CSI:Μαϊάμι (2002) - *Σύντομη εμφάνιση ως Gil Grissom*
* Ο καλός ποιμένας (2006)
* Το κίτρινο μαντήλι (2008)
* The Lake House (2006)
* Η γυναίκα στο παράθυρο (2021)
Τηλεόραση:
* The Fall Guy (1981-1986) - *Επαναλαμβανόμενος ρόλος*
* CSI:Έρευνα σκηνής εγκλήματος (2000-2015) - *Πρωταγωνιστικός ρόλος ως Gil Grissom*
* Ανθρωποκυνηγητό:Unabomber (2017) - *Πρωταγωνιστικός ρόλος ως πράκτορας του FBI Jim Fitzgerald*
* Φόνος στον πρώτο (2014-2016) - *Πρωταγωνιστικός ρόλος ως Terry English*
Άλλο:
* Τα Έγγραφα του Πενταγώνου (1971) - *Τηλεοπτική ταινία*
* The Killing of Randy Webster (1979) - *Τηλεοπτική ταινία*
* The Anderson Tapes (1971) - *Τηλεοπτική ταινία*
* The Virginian (1963) - *Τηλεοπτική σειρά, 1 επεισόδιο*
Σημείωση: Αυτή δεν είναι μια εξαντλητική λίστα, αλλά περιλαμβάνει μερικά από τα πιο αξιοσημείωτα έργα του William Petersen. Μπορείτε να βρείτε περισσότερες πληροφορίες για την πλήρη φιλμογραφία του σε ιστότοπους όπως το IMDb.