- Seu apelido é Billy;

- Tem um filha chamada Maite Nerea, nascida em 1975, na Espanha;

- Ficou noivo da professora de biologia Gina Cirone em março de 2002 e casou-se com ela na Itália;

- Tinha uma bolsa de estudos por conta do futebol em Idaho State University e foi lá que descobriu a arte de atuar;

- Montou uma produtora chamada High Horse em sociedade com a produtora Cynthia Chvatal do seriado "CSI: Crime Scene Investigation";

- Tem um neto chamado Mazrik William, nascido em outubro de 2003;

- Em um dos episódios da série "CSI: Crime Scene Investigation", um assassino serial é interpretado pelo ator Tom Noonan, que também fez um papel semelhante no filme Caçador de Assassinos - Manhunter (1986) onde Petersen atuou.

- Recebeu proposta para trabalhar em Platoon, de Oliver Stone, mas recusou a oferta por considerar o valor baixo. Além disto, ir para as Filipinas para encarar semanas de treinamento antes das filmagens não o seduziu o bastante;

- Em compensação, no mesmo período acabou fazendo a comédia Long Gone para a televisão, em 1987;

- Foi escalado para Viver e Morrer em Los Angeles depois que o ator Gary Sinise desistiu de seu papel;

- Em 2004 apresentou o Emmy Award ao lado do ator Dennis Franz, do seriado de grande sucesso "Nova York Contra o Crime", cujo parceiro em cena David Caruso, em 2002 virou estrela do spin off "CSI:Miami";

- Interpretou dois personagens com o sobrenome Walker: Gideon Walker em Return to Lonesome Dove (1993) e Steve Walker em Medo (1996).