Уильям Петерсен родился 21 февраля 1953 года в Эванстоне, штат Иллинойс, самый младший из шести детей. Учась в школе Бишоп Келли в городе Бойсе, штат Айдахо, Уильям играл в местной футбольной команде. С тех далеких времен у него сохранился форменный командный свитер, в котором актер появляется во многих своих фильмах. Если со спортом у него все было отлично, то по остальной школьной программе отметки были более чем плохие. Дошло даже до того, что преподаватели в Университете Айдахо посоветовали ему брать уроки актерского мастерства, чтобы подтянуть остальные предметы. Атмосфера театра настолько увлекла Уильяма, что сразу после окончания обучения он и его подружка Джоан, которая потом стала его женой, направились в Испанию, откуда стартовала Шекспировская компания. На театральной сцене Петерсен участвует в постановках "Суть преступления", "Ночь игуаны", "Время твоей жизни", "Трамвай "Желание", "Гленгарри Глен Росс", "Безумие от любви", в том числе дебютирует на Бродвее все с той же "Ночью Игуаны". За постановку "Суть преступления" он получает награду Джозефа Джефферсона. Когда Уильям переехал в Лос-Анджелес, то дебютировал в фильмах "Вор" и "Жить и умереть в Лос-Анджелесе", после чего блеснул в главной роли агента ФБР Уилла Грэма в фильме "Охотник на людей", в котором гонялся за сумасшедшим убийцей в исполнении известного актера Тома Нунана. По мнению зрителей, Уилл Грэм из "Охотника на людей" чем-то похож на Гила Гриссома из сериала "CSI: Место преступления", который выбрали лучшим драматическим сериалом 2003 года. За роль в фильме "Кеннеди из Массачусеттса" он получил премию "Золотой глобус". Вскоре Уильям Петерсен переходит в известную кинокомпанию Steppenwolf Company, а затем вместе с хорошей знакомой и сопродюсером Синтией Шватал возглавляет телекомпанию High Horse. В 2003 году Уильям женится на давней подруге, преподавательнице биологии Джине Цироне. Церемония проходит в итальянском городе Петринано. От первого брака с Джоан Брэди у него есть дочь Мэйти, а также внук.