William Petersen dán nemzetiségű bútorkereskedőktől született, és a 6 gyerek közül ő a legfiatalabb. Szüleinek saját bútor üzlete volt Evanstonban. Nem volt valószínű, hogy a családi üzletet folytatja tovább, ahogy ő mondja, az apja nem igazán hitt benne, hogy kitartana a munka mellet. Sokkal fiatalabb volt, mint a testvérei, és inkább "egykeként" nőtt fel. Kiváló atlétikus alkata volt, aki focizott, baseballozott, és kosárlabdázott a középiskolában. Egy sajnálatra méltó tanuló volt, akinek csak egy csöppnyi érdeklődése volt az iskola felé.
Mikor 15 éves volt Boise-ben, Idahoban költözött, hogy testvérével élhessen. Itt 1972-ben elvégezte a Bushop Kelly Középsikolát, ami egy katolikus iskola. Szintén itt találkozott az első feleségével, Joanne-nel. A jövőre még nem szentelt külön figyelmet, mivel meglehetősen vad életet élt, rock koncertekre járt, ivott és marihuánás cigit szívott.
A középiskolából az érettségi megszerzése után elvégezte az Idaho State Egyetemet, annak a reményében, hogy megnyer egy futball ösztöndíjat. A jegyei túl rosszak voltak ahhoz, hogy játsszon, így színész képző osztályba rakták át, hogy kipróbálja magát, és hogy javítson jegyei átlagán. Ez az idő volt a "randevúja" a végzetével, szinte szerelmes lett a színházba. Ő és Joanne követtek egy kedves professzort Spanyolországba, ahol egy Shakespeare társaságot hoztak létre Basque régióban. Ketten összeházasodtak, és rá egy évre lett egy lányuk Maite. Hozzáállása megváltozott Joanne-hez, és 4 évvel később elváltak. Azért a mai napig barátok maradtak.
A csonka család visszaköltözött Isahoba, ahol William munkáról munkára járt, beleértve a fakitermelést is. Esténként színdarabokban szerepelt a helyi főiskolán. Később a család fogta magát, és visszaköltözött Evanstonba, ahol egy ideig a szüleikkel éltek. Égett a vágytól, hogy színész legyen, és hogy több szerepet játsszon a virágzó Chicago színházban. 1979-ben színészi szakszervezeti tag lett a Victory Gardnes színházban a Dillinger címszerep miatt. Rájött a legjobb módra, hogy megkapjon egy szerepet egy színdarabban, ahhoz hogy elindítsa saját színházi társulatát. Ő és néhány barátja, beleértve hosszú ideje a támasza, és egyben barátja Cindy Chvatalt, és színészi cimboráját Gary Cole-t, létrehozták a Remains színházi társulatot. Itt nem csak színész volt, hanem művészeti producer is több évig. A gazdasági nehézségek, és a másod művészeti producer Larry Sloan halála után,  a társaság 1995-ben feloszlott.
A kis társaság által készített próbaszíndarabok elkezdték vonzani a figyelmet a chicagoi színházak körében. A Remains társulatnak jól menta dolga, és William is haladt a sját útján, hogy a csúcson legyen a színházak világában, Chicagoban. Jack Henry Abott alakításáért a "Belly of the Beast: Letters from Prison" című színdarabban Joseph Jefferson díjat kapott, ami megszilárdított a hírnevét. A Chicago színház abban az időben merész, új, izgalmas durranás volt, rendkívül tehetséges írókkal, színészekkel és rendezőkkel. William nem csak a Remainsnél színészkedett, hanem Wisdom Bridge-nél, Goodmannél, Organic-nál és a híres Steppenwolfnál. A tehetsége magára vonta Hallywood figyelmét. Szereplet a "Treetcar Named Desire" című darabban, ami részt vett a Stratford fesztiválon Ontarioban, Kanadában, ahol William Friedkin látta őt, és megkérte, hogy olvasson fel legújabb filmjének az "Élni és meghalni Los Angelesben"-nek (To Live and Die in L.A.) a forgatókönyvéből. Két sort olvasott, és ez elég volt Friedkinnek, hogy azonnal felvegye a stábhoz.
Tehetséges, karizmatikus személyisége, valamint fiatalosan jóképűsége miatt kiszámítható volt számára a filmes sztárság, de ez soha nem történt meg. Ez annak köszönhető, hogy az "Élni és meghalni Los Angelesben" (To Live and Die in L.A.) és "Az embervadász" (Manhunter) gyengén szerepelt a jegypénztáraknál (bár mára már mindkét film kultuszfilm lett), valamint hogy a színház az elsőszámú szerelme, és jobban szeret projekteket készíteni, amik beszélnek hozzá. Színész akart lenni, és nem sztár. Ő és Cindy létrehozták a saját filmcégüket, a High Horse Filmet 1990-ben. Az első filmjük a "Hard Promises" Sissy Spacek szereplésével. Sok színháznak és TV-nek készült darabjában/filmjében szerepelt, olyan jól, mint a színpadon. Néhány film miatt felismerték az utcán, de mióta Gil Grissomként látható a CSI-ban, azóta több millió ember tudja kiről van szó, ha felmerül valahol a neve. Megmaradt olyannak amilyen volt, ő nem csak egy filmcsillag, de egyben egy jó producer is.