Film:
* At leve og dø i L.A. (1985)
* Manhunter (1986)
* Lammenes stilhed (1991)
* Frygt og afsky i Las Vegas (1998)
* Konkurrenten (2000)
* Saltonhavet (2002)
* CSI:Miami (2002) - *Kort optræden som Gil Grissom*
* Den gode hyrde (2006)
* Det gule lommetørklæde (2008)
* Søhuset (2006)
* Kvinden i vinduet (2021)
Fjernsyn:
* The Fall Guy (1981-1986) - *Tilbagevendende rolle*
* CSI:Crime Scene Investigation (2000-2015) - *Hovedrolle som Gil Grissom*
* Mandjagt:Unabomber (2017) - *Hovedrolle som FBI-agent Jim Fitzgerald*
* Mord i første omgang (2014-2016) - *Hovedrolle som Terry English*
Andet:
* The Pentagon Papers (1971) - *TV-film*
* Drabet på Randy Webster (1979) - *TV-film*
* Anderson-båndene (1971) - *TV-film*
* Virginianeren (1963) - *TV-serie, 1 afsnit*
Bemærk: Dette er ikke en udtømmende liste, men inkluderer nogle af William Petersens mest bemærkelsesværdige projekter. Du kan finde mere information om hans komplette filmografi på websteder som IMDb.