Films :
* Vivre et mourir à Los Angeles (1985)
* Chasseur d'hommes (1986)
* Le silence des agneaux (1991)
* Peur et dégoût à Las Vegas (1998)
* Le concurrent (2000)
* La mer de Salton (2002)
* CSI :Miami (2002) - *Brève apparition dans le rôle de Gil Grissom*
* Le Bon Pasteur (2006)
* Le mouchoir jaune (2008)
* La Maison du Lac (2006)
* La femme à la fenêtre (2021)
Télévision :
* Le gars de la chute (1981-1986) - *Rôle récurrent*
* CSI :Enquête sur les scènes de crime (2000-2015) - *Rôle principal de Gil Grissom*
* Chasse à l'homme : Unabomber (2017) - *Rôle principal en tant qu'agent du FBI Jim Fitzgerald*
* Meurtre dans le premier (2014-2016) - *Rôle principal de Terry English*
Autre :
* Les papiers du Pentagone (1971) - *Téléfilm*
* Le meurtre de Randy Webster (1979) - *Téléfilm*
* Les bandes Anderson (1971) - *Téléfilm*
* Le Virginien (1963) - *Série télévisée, 1 épisode*
Remarque : Cette liste n'est pas exhaustive mais comprend certains des projets les plus remarquables de William Petersen. Vous pouvez trouver plus d'informations sur sa filmographie complète sur des sites Web comme IMDb.