Petersen wuchs während des Krieges in Mecklenburg auf; danach zogen seine Eltern zunächst in Petersens Geburtsort Emden 1950 dann nach Hamburg-Bramfeld. Bereits während der drehte er mit einer 8 mm-Kamera erste
Die erste Regiearbeit lieferte Petersen am Jungen Theater in Hamburg wo er in verschiedenen Kinderaufführungen Regie daneben arbeitete er auch als Regieassistent und Schauspieler besuchte eine Schauspielschule und begann 1965 ein Studium der Theaterwissenschaft in Berlin und Hamburg .
1966 wechselte er zur Deutschen Film- und und drehte als Studienarbeiten einige Kurzfilme (darunter Der Eine – Der Andere und Ich nicht ) sowie als Abschlussarbeit den Film Ich werde dich töten ( 1969 ). Daneben inszeniert er noch einige Theaterstücke Hamburg.
Ab 1971 arbeitete Petersen für das Fernsehen und u.a. sechs Tatort -Folgen für den NDR einen Fersehfilm für den WDR ( Van der Valk und die Reichen ) und weitere TV-Produktionen.
Seinen ersten Kinofilm kann Petersen 1973 / 1974 umsetzen: Einer von uns beiden . Bei der Besetzung greift er auf relativ festen Stamm von Mitarbeitern zurück darunter Kameramann Jörg Michael Baldenius der Schauspieler Jürgen Prochnow und der Komponist Klaus Doldinger . Der Film Die Konsequenz löst 1977 einen Skandal aus als der BR sich aus der Übertragung ausschaltet. Die war der Überzeugung dass das Thema des Homosexualität nicht für seine Zuschauer geeignet wäre. Film ist kurz darauf im Kino zu
1980 überträgt die Produktionsfirma Bavaria Petersen die Regie zu der Großproduktion Das Boot die sich vor allem in den USA zum Kassenschlager entwickelt; Das Boot wird der bis dahin erfolgreichste fremdsprachige
Nach diesem ersten großen Erfolg dreht mit einem Budget von über 50 Millionen die teuerste deutsche Nachkriegsproduktion: Die unendliche Geschichte .