Seit den 80er-Jahren ist William L. Petersen auf der Theaterbühne sowie vor Film- und Fernsehkameras zu Hause. Zum internationalen Star machte ihn jedoch erst die Rolle des Chefermittlers Gil Grissom in der vielfach ausgezeichneten US-Serie "CSI Den Tätern auf der Spur".
Geboren wurde William L. Petersen am 21. Februar 1953 in Evanston, Illinois. Petersen verließ früh sein Elternhaus. 1974 ging er vorübergehend nach Spanien und trat in Shakespeare-Stücken auf, bevor er nach Chicago zog, um dort Theater zu spielen. 1979 gründete er sein eigenes Theater-Ensemble. Mitte der 80er-Jahre begann auch Petersens Filmkarriere mit Rollen in anspruchsvollen, aber kommerziell mäßig erfolgreichen Filmen wie "Leben und Sterben in L.A." und vor allem in der Thomas-Harris-Verfilmung "Blutmond" nach dem Thriller "Roter Drache", wo er als grüblerischer und gebrochener Ermittler Will Graham glänzte. In der Folgezeit zog sich Petersen immer wieder zurück, produzierte eigene Filme mit seiner 1986 gegründeten Produktionsfirma High Horse Films oder spielte Theater. In Film und Fernsehen war er nur in kleineren Rollen zu sehen. 2000 wurde ihm die Rolle des Chef-Forensikers Gil Grissom in der neuen CBS-Serie "CSI Den Tätern auf der Spur" angeboten. Die Rolle machte Petersen zum Publikumsliebling, mehrfachen Emmy-Gewinner und hoch bezahlten Hollywood-Star. Neun Jahre lang blieb er der Serie, die er selbst produzierte, treu. Nach seinem Abschied ging Petersen wieder nach Chicago, um Theater zu spielen.
William L. Petersen war von 1974 bis 1981 mit Joanne Brady verheiratet. Aus der Ehe stammt die 1975 geborene Tochter Maite, die Petersen 2003 zum Großvater machte. 2003 heiratete der Schauspieler in Italien seine langjährige Lebensgefährtin Gina Cirone.