Películas:
* Vivir y morir en Los Ángeles (1985)
* Cazador de hombres (1986)
* El Silencio de los Corderos (1991)
* Miedo y asco en Las Vegas (1998)
* El contendiente (2000)
* El Mar de Salton (2002)
* CSI:Miami (2002) - *Breve aparición como Gil Grissom*
* El Buen Pastor (2006)
* El Pañuelo Amarillo (2008)
* La Casa del Lago (2006)
* La mujer en la ventana (2021)
Televisión:
* El chivo expiatorio (1981-1986) - *Papel recurrente*
* CSI:Investigación de la escena del crimen (2000-2015) - *Papel principal como Gil Grissom*
* Caza humana:Unabomber (2017) - *Papel principal como el agente del FBI Jim Fitzgerald*
* Asesinato en el Primero (2014-2016) - *Papel principal como Terry English*
Otro:
* Los documentos del Pentágono (1971) - *película para televisión*
* El asesinato de Randy Webster (1979) - *película para televisión*
* Las cintas de Anderson (1971) - *película para televisión*
* El virginiano (1963) - *serie de televisión, 1 episodio*
Nota: Esta no es una lista exhaustiva, pero incluye algunos de los proyectos más notables de William Petersen. Puedes encontrar más información sobre su filmografía completa en sitios web como IMDb.