Film:
* Vivere e morire a Los Angeles (1985)
* Cacciatore di uomini (1986)
* Il silenzio degli innocenti (1991)
* Paura e delirio a Las Vegas (1998)
* Il contendente (2000)
* Il Salton Sea (2002)
* CSI:Miami (2002) - *Breve apparizione come Gil Grissom*
* Il Buon Pastore (2006)
* Il fazzoletto giallo (2008)
* La casa sul lago (2006)
* La donna alla finestra (2021)
Televisione:
* L'uomo caduto (1981-1986) - *Ruolo ricorrente*
* CSI:Investigazione sulla scena del crimine (2000-2015) - *Ruolo principale come Gil Grissom*
* Caccia all'uomo:Unabomber (2017) - *Ruolo principale nel ruolo dell'agente dell'FBI Jim Fitzgerald*
* Omicidio nel primo (2014-2016) - *Ruolo principale come Terry English*
Altro:
* I documenti del Pentagono (1971) - *film per la TV*
* L'uccisione di Randy Webster (1979) - *film per la TV*
* I nastri Anderson (1971) - *film per la TV*
* Il Virginiano (1963) - *Serie TV, 1 episodio*
Nota: Questo non è un elenco esaustivo ma include alcuni dei progetti più importanti di William Petersen. Puoi trovare maggiori informazioni sulla sua filmografia completa su siti web come IMDb.