Né le 21 Février 1953 à Evanston, Ilinois (USA), sixième et dernier enfant d'une famille de commerçants , c'est par le théatre que William L. Petersen commence, d'abord dans son école de football à la faculté d'Idaho, comme simple amateur, puis dans une pièce de Tennessee Williams "The night of the Iguana".
En 1979, il fonde "The Remains Theater Ensemble", à Chicago, avec d'autres acteurs, et joue dans de nombreuses pièces dont "Un tramway nommé Désir".
Parallèlement, il apparaît dans de nombreux téléfilms et films.
Voici un aperçu de sa filmographie : "Police Fédérale Los Angeles", aux côtés de Wilem Dafoe (1985) , "Manhunter: le Sixième Sens" très bon thriller de 1986 , "La force du silence" (1987) , "Cousins" (1989) , "Hard Promises" en 1991 dont il est aussi le producteur , et "Manipulations" en 2000.
En 2000 voient alors le jour à la télévision "les Experts", qui le font connaître d'un plus large public, car, bien qu'il ait toujours été un très bon acteur, ses rôles le confinaient au deuxième rang, presque uniquement connu d'un public d'initié !
Il est marié à Gina Cirone, et a une fille de 28 ans d'un premier mariage.