Films:
* Om te leven en te sterven in L.A. (1985)
* Manhunter (1986)
* De stilte van de lammeren (1991)
* Angst en walging in Las Vegas (1998)
* De kanshebber (2000)
* De Saltonzee (2002)
* CSI:Miami (2002) - *Korte verschijning als Gil Grissom*
* De goede herder (2006)
* De gele zakdoek (2008)
* Het Lake House (2006)
* De vrouw in het raam (2021)
Televisie:
* De herfstman (1981-1986) - *Terugkerende rol*
* CSI:onderzoek naar plaats delict (2000-2015) - *Hoofdrol als Gil Grissom*
* Manjacht:Unabomber (2017) - *Hoofdrol als FBI-agent Jim Fitzgerald*
* Moord in de eerste (2014-2016) - *Hoofdrol als Terry English*
Anders:
* De Pentagon Papers (1971) - *TV-film*
* De moord op Randy Webster (1979) - *TV-film*
* De Anderson-banden (1971) - *TV-film*
* De Virginian (1963) - *TV-serie, 1 aflevering*
Opmerking: Dit is geen uitputtende lijst, maar bevat enkele van de meest opmerkelijke projecten van William Petersen. Meer informatie over zijn volledige filmografie kun je vinden op websites als IMDb.