Filmler:
* Los Angeles'ta Yaşamak ve Ölmek (1985)
* Manhunter (1986)
* Kuzuların Sessizliği (1991)
* Las Vegas'ta Korku ve Nefret (1998)
* Yarışmacı (2000)
* Salton Denizi (2002)
* CSI:Miami (2002) - *Gil Grissom rolünde kısa görünüm*
* İyi Çoban (2006)
* Sarı Mendil (2008)
* Göl Evi (2006)
* Penceredeki Kadın (2021)
Televizyon:
* Sonbahar Adamı (1981-1986) - *Tekrarlayan rol*
* CSI:Olay Yeri Araştırması (2000-2015) - *Gil Grissom rolünde başrol*
* İnsan Avı:Unabomber (2017) - *FBI Ajanı Jim Fitzgerald rolünde başrol*
* İlk Seferde Cinayet (2014-2016) - *Terry English rolünde başrol*
Diğer:
* Pentagon Belgeleri (1971) - *TV filmi*
* Randy Webster'ın Öldürülmesi (1979) - *TV filmi*
* Anderson Kasetleri (1971) - *TV filmi*
* Virjinyalı (1963) - *TV dizisi, 1 bölüm*
Not: Bu kapsamlı bir liste değildir ancak William Petersen'in en dikkate değer projelerinden bazılarını içermektedir. Filmografisinin tamamı hakkında daha fazla bilgiyi IMDb gibi web sitelerinde bulabilirsiniz.