Filmek:
* Élni és meghalni Los Angelesben (1985)
* Manhunter (1986)
* A bárányok csendje (1991)
* Félelem és gyűlölet Las Vegasban (1998)
* A versenyző (2000)
* A Salton-tenger (2002)
* CSI:Miami (2002) - *Rövid megjelenés mint Gil Grissom*
* A jó pásztor (2006)
* A sárga zsebkendő (2008)
* A Lake House (2006)
* A nő az ablakban (2021)
Televízió:
* The Fall Guy (1981-1986) - *Ismétlődő szerep*
* CSI:Helyszíni nyomozás (2000-2015) - *Főszerep, mint Gil Grissom*
* Manhunt:Unabomber (2017) - *Főszerep, mint Jim Fitzgerald FBI-ügynök*
* Gyilkosság az elsőben (2014-2016) - *Főszerep, mint Terry English*
Egyéb:
* A Pentagon Papers (1971) – *TV-film*
* Randy Webster megölése (1979) – *TV-film*
* Az Anderson-szalagok (1971) – *TV-film*
* A virginiai (1963) - *TV-sorozat, 1 epizód*
Megjegyzés: Ez nem kimerítő lista, de William Petersen legjelentősebb projektjeit tartalmazza. A teljes filmográfiájáról további információkat találhat az olyan webhelyeken, mint az IMDb.