Le film qui le fait connaître du grand public international est Das Boot (Le Bateau). Cette œuvre de trois heures raconte les aventures d'un sous-marin allemand et de son équipage pendant la Deuxième Guerre mondiale. L'action se déroule presque intégralement à l'intérieur du sous-marin. Auparavant, il avait réalisé un film sur le jeu d'échecs, L'Échiquier de la passion avec Bruno Ganz. Celui-ci joue le rôle d'un informaticien qui veut créer un programme capable de battre le champion du monde d'échecs.

À la suite de ses succès initiaux en Allemagne (Das Boot, L'Histoire sans fin) et de sa participation au Nouveau cinéma allemand des années 1960-1970, il exerce sa carrière principalement à Hollywood.

Après 10 années passées loin des plateaux de tournage, Wolfgang Petersen fait son grand retour au cinéma avec Vier gegen die Bank, un remake de son propre téléfilm tourné en 1976. Le film est prévu pour Noël 2016 et marquera le grand retour du réalisateur aux commandes d'un film allemand, plus de 30 ans après L'Histoire sans fin. Toutefois, le film n'est jamais sorti au cinéma en France.

Sa société de production cinématographique est Radiant Productions.

Petersen est marié à Ursula Sieg de 1970 à 1978. Puis, il est marié à Maria Borgel Petersen de 1978 jusqu'à sa mort.

Il meurt à l'âge de 81 ans le 12 août 2022 à Los Angeles, dans le quartier de Brentwood, des suites d'un cancer du pancréas.

2001 - Prix ShoWest du réalisateur de l’année par la Convention ShoWest aux États-Unis.
1997 - Pour le film : Air force one - Bambi pour la réalisation aux Prix Bambi en Allemagne.
1995 - Bambi du cinéma international aux Prix Bambi en Allemagne.
1984 - Bambi aux Prix Bambi en Allemagne.
1972 - Prix d’Or du cinéma du nouveau réalisateur aux prix du cinéma germanique en Allemagne.