Rochdale's Joe Bunney bröt dödläget, nät från sex meter innan Nathaniel Mendez-Laing fördubblade ledningen mot sin gamla klubb från nära håll.
Michael Smith halverade sedan Posh underskott från 25 yards 10 minuter före halvtid.
Rochdale's Bunney och Posh's Chris Forrester båda såg andra halvan ansträngningar väl räddade som Dale höll på.
Resultatet avslutar Peterboroughs förhoppningar, med Posh som sitter 14 poäng utanför de sex bästa, medan Rochdale håller sina små hopp levande, med sju poäng som skiljer dem åt och de sex bästa.
Rochdale Manager Keith Hill berättade för BBC Radio Manchester:
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
"Vi jagar fortfarande drömmen, det är en enorm dröm men spelarna har stått upp mot utmaningen.
"Den senaste formen är helt fantastisk och jag är verkligen nöjd med dagens prestation.
"Vår inställning, vår grus, vår beslutsamhet under andra halvan att hålla den andra halvan ren var magnifik."
Peterborough var trångt slagen av Rochdale som alla tre mål kom i den första halvan på ABAX Stadium.