Filme:
* In L.A. leben und sterben (1985)
* Menschenjäger (1986)
* Das Schweigen der Lämmer (1991)
* Angst und Abscheu in Las Vegas (1998)
* Der Anwärter (2000)
* Das Saltonmeer (2002)
* CSI:Miami (2002) – *Kurzer Auftritt als Gil Grissom*
* Der gute Hirte (2006)
* Das gelbe Taschentuch (2008)
* Das Seehaus (2006)
* Die Frau im Fenster (2021)
Fernsehen:
* The Fall Guy (1981-1986) – *Wiederkehrende Rolle*
* CSI:Untersuchung des Tatorts (2000–2015) – *Hauptrolle als Gil Grissom*
* Fahndung:Unabomber (2017) – *Hauptrolle als FBI-Agent Jim Fitzgerald*
* Mord im Ersten (2014–2016) – *Hauptrolle als Terry English*
Andere:
* Die Pentagon-Papiere (1971) – *Fernsehfilm*
* Die Ermordung von Randy Webster (1979) – *Fernsehfilm*
* Die Anderson-Bänder (1971) – *Fernsehfilm*
* The Virginian (1963) – *Fernsehserie, 1 Folge*
Hinweis: Dies ist keine erschöpfende Liste, sondern enthält einige der bemerkenswertesten Projekte von William Petersen. Weitere Informationen zu seiner gesamten Filmografie finden Sie auf Websites wie IMDb.