Filmy:
* Żyć i umrzeć w Los Angeles (1985)
* Łowca (1986)
* Milczenie owiec (1991)
* Strach i wstręt w Las Vegas (1998)
* Uczestnik (2000)
* Morze Salton (2002)
* CSI:Miami (2002) - *Krótki występ jako Gil Grissom*
* Dobry Pasterz (2006)
* Żółta chusteczka (2008)
* Dom nad jeziorem (2006)
* Kobieta w oknie (2021)
Telewizja:
* Gość od upadku (1981-1986) - *Powracająca rola*
* CSI:Dochodzenie na miejscu zbrodni (2000-2015) - *Główna rola Gila Grissoma*
* Obława:Unabomber (2017) – *Główna rola agenta FBI Jima Fitzgeralda*
* Morderstwo w pierwszym (2014-2016) - *Główna rola jako Terry English*
Inne:
* Dokumenty Pentagonu (1971) - *film telewizyjny*
* Zabójstwo Randy'ego Webstera (1979) - *film telewizyjny*
* Taśmy Andersona (1971) - *film telewizyjny*
* Wirginijczyk (1963) - *serial telewizyjny, 1 odcinek*
Uwaga: Nie jest to lista wyczerpująca, ale zawiera niektóre z najbardziej znaczących projektów Williama Petersena. Więcej informacji na temat jego pełnej filmografii można znaleźć na stronach takich jak IMDb.