Wolfgang Petersen commence à 19 ans une carrière d'assistant metteur en scène à l'Ernst Deutsch Theater de Hambourg. Après avoir étudié la comédie pendant trois ans, il s'initie durant quatre ans à la réalisation à la Film und Fernsehakademie de Berlin, où il a notamment pour professeur le directeur de la photographie Michael Ballhaus. Il tourne en 1970 son premier moyen métrage : Ich werde dich Töten, Wolf, dans le cadre de la série policière Tatort, et signe l'année suivante le téléfilm Blechschaden.

En 1973, il reçoit le Bundespreis et une citation à l'Oscar pour son premier long métrage Einer von uns beiden, mais doit attendre 1981 pour connaître la consécration internationale grâce au Bateau. Avec un total de six nominations à l'Oscar, ce film de guerre sous-marine est le long métrage étranger le plus populaire jamais distribué aux Etats-Unis et offre à Wolfgang Petersen un passeport pour exporter ses talents de réalisateur outre-Atlantique. Variant les genres, il va du fantastique (L'Histoire sans fin ; 1984) au thriller hitchcockien (Troubles ; 1991) en passant par la science-fiction (Enemy ; 1985).

À partir des années 90, le cinéaste remporte la confiance des studios hollywoodiens et se retrouve à la tête de productions américaines au budget allant croissant. Il dirige ainsi trois acteurs vétérans, Clint Eastwood, Dustin Hoffman et Harrison Ford, à travers des longs métrages alliant action et spectaculaire : Dans la ligne de mire (1993), où il en va de la protection du Président des Etats-Unis, Alerte (1995), qui traite d'une lutte acharnée contre le virus ebola, et Air Force One (1997), où le chef d'Etat américain se retrouve pris en otage. En 1999, Wolfgang Petersen retourne en haute mer pour filmer le naufrage de George Clooney et Mark Wahlberg dans En pleine tempête. Croulant sous les projets de film, le réalisateur met quatre ans avant de se décider à porter à l'écran le récit de l'Iliade pour l'épique Troie (2004). Un an après, il persiste dans les productions à grand spectacle en réalisant Poséidon, un remake au budget colossal (140 millions de dollars) d'un classique du film catastrophe : L' Aventure du Poséidon.