Empezó a dirigir producciones de teatro a los 21 años mientras cursaba sus estudios de interpretación en el Ernst Deutsch Theatre de Hamburgo. Con el tiempo decidió concentrar sus esfuerzos exclusivamente en la dirección, y Petersen ingresó en la Academia de Cine y Televisión de Berlín donde pasó cuatro años formándose. En 1970, Petersen hizo su debut como director en la televisión con I Will Kill You, Wolf y a continuación dirigió 6 telefilmes de dos horas de duración para la serie Tatort ("Crime Scene"). Reifezeugnis ("Notas finales"), uno de sus películas en esta serie, convirtió a una actriz nueva Nastassja Kinski en una estrella de la noche a la mañana y hasta hoy en día es la película de televisión de más éxito en la historia de la televisión alemana. Petersen empezó su carrera en el cine ganando el Premio nacional del cine alemán por Mejor nuevo director por su película The One or the Other en 1973.