Kariera Petersen powrócił do Idaho z zamiarem bycia aktorem. Nie chcąc zostać bez pracy w Idaho, wrócił do Chicago, mieszkając z krewnymi. Stał się aktywny w teatrze i zdobył kartę Actors' Equity Association (AEA). Występował ze Steppenwolf Theatre Company, m.in. w przedstawieniu Ciemność w południe (Darkness at Noon, 1976), a także został współzałożycielem Remains Theatre Ensemble, w skład którego weszli też inni znani aktorzy z Chicago, Gary Cole i Ted Levine.
Debiutował na ekranie w dramacie kryminalnym neo-noir Michaela Manna Złodziej (1981) u boku Jamesa Caana i Tuesday Weld. W 1984, podczas Stratford Festival of Canada w Stratford, wystąpił w sztuce Tennessee Williamsa Tramwaj zwany pożądaniem jako Stanley Kowalski. W 1985 Petersen otrzymał swoją pierwszą główną rolę agenta Secret Service, który został oszukany, aby pomścić swojego mentora w dramacie sensacyjnym Williama Friedkina Żyć i umrzeć w Los Angeles (To Live and Die in L.A.). Rok potem zagrał postać agenta FBI Willa Grahama w dreszczowcu Michaela Manna Łowca (Manhunter, 1986). Ponieważ jego rola była tak wyczerpująca emocjonalnie, zrobił wszystko, aby pozbyć się Grahama po ukończeniu okresu zdjęciowego. Zgolił brodę, obciął włosy i rozjaśnił je na blond.