Za reżyserię dreszczowca sensacyjnego Któryś z nas (Einer von uns beiden, 1974) z Jürgenem Prochnowem otrzymał Niemiecką Nagrodę Filmową w kategorii najlepszy nowy reżyser. Jego kolejny film – dramat Konsekwencja (Die Konsequenz, 1977) poruszał temat homoseksualizmu i wywołał skandal, gdy BR odmówił jego emisji w ARD z tego powodu, a w rezultacie film trafił do kin.
Po międzynarodowym sukcesie dramatu wojennego Okręt (Das Boot, 1981), Petersen zyskał świetną pozycję w Hollywood. Zanim jednak wyemigrował do Los Angeles w 1986, nakręcił kolejny hit kasowy w Niemczech, który do dziś cieszy się statusem filmu kultowego – anglojęzyczny film fantasy Niekończąca się opowieść (Die unendliche Geschichte, 1983), oparty na powieści dla młodzieży pod tym samym tytułem autorstwa Michaela Ende, za który zdobył nagrodę Bambi.