Nemzetközi ismertséget hozott számára az 1977-ben készített A következmény (The Consequence) című filmdráma. A következő évben a Párizsi Filmfesztiválon már mint a legjobb rendezőt jutalmazzák a Fekete és fehér, mint az éjszaka és a nappal (Black and White Like Day and Night). Az 1982-es A tengeralattjáró kapcsán Petersen személyében az akadémia először jelölte a legjobb rendező kategóriában egy német nyelvű film alkotóját. A film egyébként összesen hat Oscar-jelölést kapott, és abban az időben a legnagyobb nézettségű európai film lett az Egyesült Államokban.

A tengeralattjáró után megírta és megrendezte a Végtelen történet (The Neverending Story) című fantasy-filmet, majd a futurisztikus Kedves ellenségem (Enemy Mine) következett, Louis Gossett, Jr. és Dennis Quaid főszereplésével. Petersen közben véglegesen letelepedett az Egyesült Államokban. Rendező-írója az Összetörve (Shattered) című thrillernek, melyben Tom Berenger, Bob Hoskins és Greta Scacchi szerepelt. 1993-ban Petersen rendezte a Célkeresztben (In the Line of Fire) című izgalmas thrillert, Clint Eastwood, John Malkovich és Rene Russo főszereplésével. A film három Oscar-jelölést kapott.

Rendezője és producere volt Az elnök különgépe (Air Force One) című kasszasikernek, mely Harrison Ford, Gary Oldman és Glenn Close főszereplésével készült. Korábban a Warner Bros számára forgatta a Vírus (Outbreak) című sikerfilmet, Dustin Hoffmannal, Rene Russóval és Morgan Freemannel a főszerepekben, miközben elkészítette A tengeralattjáró (Das Boot) című nagy sikerű háborús filmjének rendezői változatát. Ez utóbbiért egyébként a legjobb rendező és a legjobb forgatókönyvíró kategóriában is Oscarra jelölték.