William L. Petersen lehnte die Rolle des Detective Gil Grissom in CSI fast ab, weil er lieber Theater spielen wollte.
William L. Petersen wurde 1953 in der Stadt Evanston im US-Bundesstaat Illinois geboren, wuchs aber in Boise, Idaho auf. Seine Familie war die vierte Generation dänischer Immigranten, er selbst das jüngste von sechs Kindern. Petersen verließ die Familie mit 15 Jahren und zog zu einem Bruder. 1974 zog er mit seiner späteren Ehefrau nach Spanien, wo er auch heiratete und seine Tochter Maite bekam. 1975 studierte er mit einem Sport-Stipendium an der Idaho State University und zog später nach Chicago, wo er der Steppenwolf Theatre Company beitrat. 1979 gründete er in Chicago sein eigenes Theater-Ensemble.
Nach kleineren Rollen übernahm Petersen 1985 die Hauptrollen in den Erfolgen Leben und Sterben in L.A. und Blutmond. Bei letzterem (auch bekannt als Roter Drache) handelt es sich um die erste Verfilmung eines Hannibal Lecter-Romans von Thomas Harris. Die Möglichkeit, sich als Action-Held in den 1980er zu etablieren, verpasste er, als er ein Angebot in Oliver Stones Vietnam-Drama „Platoon“ (1986) ablehnte. Er wäre dadurch für längere Zeit von seiner Familie getrennt gewesen und hätte sich auf die Dreharbeiten mit einem militärischen Training vorbereiten müssen. Seitdem schlug er sich mit kleineren Rollen und TV-Auftritten durch, bis er im Jahr 2000 die Hauptrolle in der extrem erfolgreichen CBS-Serie CSI: Crime Scene Investigation übernahm, die er auch produzierte. In der Rolle des charismatischen Chefermittlers Gilbert 'Gil' Grissom stieg seine Popularität ungemein, 2004 wurde er für einen Golden Globe als Bester Schauspieler nominiert, 2005 erhielt er mit seinem CSI-Team den Screen Actors Guild Award für hervorragende Leistungen der Schauspieler einer Fernsehserie. Bis 2013 war er in der Rolle des Ermittlers zu sehen.
Petersen nutzt die Popularität seiner CSI-Figur auch, um die Stellung der Forensischen Wissenschaft im US-Justizsystem und die finanzielle Versorgung der Kriminallabore zu verbessern; dafür plädierte er am 15. Mai 2001 sogar vor dem Justizausschuss des Senats.
2015 übernahm William L. Petersen in einer Hauptrolle in der Retroserie Manhattan doch sein Engagement währte nur eine Staffel lang, da die Serie von WGN America abgesetzt wurde.
Petersen ist seit 2003 in zweiter Ehe mit der Highschool-Lehrerin Gina Cirone verheiratet. Mit Hilfe einer Leihmutter bekam das Paar 2011 Zwillinge, einen Sohn und eine Tochter.
Aus seiner ersten, 1981 geschiedenen Ehe mit Joanne Brady, hat William L. Petersen Tochter Maite (geb. 1975), die ihn 2003 und 2009 zum Großvater machte.
Petersen verdiente für jede CSI-Folge ca. 500.000 US-Dollar