Filmy:
* Žiť a zomrieť v L.A. (1985)
* Manhunter (1986)
* Mlčanie jahniat (1991)
* Strach a hnus v Las Vegas (1998)
* Uchádzač (2000)
* Saltonské more (2002)
* CSI:Miami (2002) - *Krátke vystúpenie ako Gil Grissom*
* Dobrý pastier (2006)
* Žltá vreckovka (2008)
* The Lake House (2006)
* Žena v okne (2021)
Televízia:
* The Fall Guy (1981-1986) - *Opakujúca sa rola*
* CSI:Vyšetrovanie miesta činu (2000-2015) - *Vedúca úloha ako Gil Grissom*
* Hľadanie:Unabomber (2017) – *Vedúca úloha ako agent FBI Jim Fitzgerald*
* Vražda v prvej (2014-2016) - *Vedúca úloha ako Terry English*
Iné:
* The Pentagon Papers (1971) – *TV film*
* Zabitie Randyho Webstera (1979) – *TV film*
* The Anderson Tapes (1971) – *TV film*
* The Virginian (1963) – *TV seriál, 1 epizóda*
Poznámka: Toto nie je úplný zoznam, ale obsahuje niektoré z najvýznamnejších projektov Williama Petersena. Viac informácií o jeho kompletnej filmografii nájdete na weboch ako IMDb.