Filmer:
* Å leve og dø i L.A. (1985)
* Manhunter (1986)
* Lammenes stillhet (1991)
* Frykt og avsky i Las Vegas (1998)
* Konkurrenten (2000)
* Saltonhavet (2002)
* CSI:Miami (2002) - *Kort opptreden som Gil Grissom*
* Den gode hyrde (2006)
* Det gule lommetørkleet (2008)
* The Lake House (2006)
* Kvinnen i vinduet (2021)
Fjernsyn:
* The Fall Guy (1981-1986) - *Gjentakende rolle*
* CSI:Crime Scene Investigation (2000-2015) - *Hovedrolle som Gil Grissom*
* Menneskejakt:Unabomber (2017) - *Hovedrolle som FBI-agent Jim Fitzgerald*
* Mord i første omgang (2014-2016) - *Hovedrolle som Terry English*
Annet:
* The Pentagon Papers (1971) - *TV-film*
* Drapet på Randy Webster (1979) - *TV-film*
* The Anderson Tapes (1971) - *TV-film*
* Virginianeren (1963) - *TV-serie, 1 episode*
Merk: Dette er ikke en uttømmende liste, men inkluderer noen av William Petersens mest bemerkelsesverdige prosjekter. Du kan finne mer informasjon om hans fullstendige filmografi på nettsteder som IMDb.