Nemzetközi ismertséget hozott számára az 1977-ben készített A következmény (The Consequence) című filmdráma. A következő évben a Párizsi Filmfesztiválon már mint a legjobb rendezőt jutalmazzák a Fekete és fehér, mint az éjszaka és a nappal (Black and White Like Day and Night).
Az 1982-es A tengeralattjáró kapcsán Petersen személyében az akadémia először jelölte a legjobb rendező kategóriában egy német nyelvű film alkotóját. A film egyébként összesen hat Oscar-jelölést kapott, és abban az időben a legnagyobb nézettségű európai film lett az Egyesült Államokban.
A tengeralattjáró után megírta és megrendezte a Végtelen történet (The Neverending Story) című fantasy-filmet, majd a futurisztikus Kedves ellenségem (Enemy Mine) következett, Louis Gossett, Jr. és Dennis Quaid főszereplésével. Petersen közben véglegesen letelepedett az Egyesült Államokban. Rendező-írója az Összetörve (Shattered) című thrillernek, melyben Tom Berenger, Bob Hoskins és Greta Scacchi szerepelt.
1993-ban Petersen rendezte a Célkeresztben (In the Line of Fire) című izgalmas thrillert, Clint Eastwood, John Malkovich és Rene Russo főszereplésével. A film három Oscar-jelölést kapott. Rendezője és producere volt Az elnök különgépe (Air Force One) című kasszasikernek, mely Harrison Ford, Gary Oldman és Glenn Close főszereplésével készült. Korábban a Warner Bros számára forgatta a Vírus (Outbreak című sikert, Dustin Hoffmannal, Rene Russóval és Morgan Freemannel a főszerepekben, miközben elkészítette A tengeralattjáró (Das Boot) című nagysikerű háborús filmjének rendezői változatát. Ez utóbbiért egyébként a legjobb rendező és a legjobb forgatókönyvíró kategóriában is Oscarra jelölték.
Film
A kétszáz éves ember (színes, magyarul beszélő, amerikai sci-fi, 130 perc, 1999)
producer
A tengeralattjáró (színes magyarul beszélő NSZK háborús filmdráma, 145 perc)
rendező, forgatókönyvíró
Az elnök különgépe (színes, magyarul beszélő, amerikai akciófilm, 119 perc, 1997)
producer, rendező
Célkeresztben (színes, magyarul beszélő, amerikai filmdráma, 128 perc, 1993)