เพเทอร์เซินติดทีมชาติเยอรมนีชุดโอลิมปิก ในการแข่งขันโอลิมปิกฤดูร้อนที่รีอูดีจาเนรู โดยเป็น 1 ใน 3 ผู้เล่นอายุเกิน 23 ปีที่ได้รับอนุญาตให้แข่งขัน ร่วมกับลาร์ส และสเวน เบนเดอร์ ต่อมาวันที่ 4 สิงหาคม ค.ศ. 2016 เขาลงเล่นในฐานะตัวรองโดยลงมาแทนดาวี เซ็ลเคอ ในนาทีที่ 84 สามวันถัดมา เขาลงเป็นตัวสำรองแทนที่เซ็ลเคอในนาทีที่ 83 ต่อมาในวันที่ 10 สิงหาคม ค.ศ. 2016 เขาลงเล่นตัวจริงและยิงห้าประตูในนัดที่ชนะฟีจี 10–0 ต่อมาวันที่ 13 สิงหาคม ค.ศ. 2016 เขาลงเล่นตัวสำรองในนาทีที่ 78 แทนเซ็ลเคออีกครั้งในนัดพบกับโปรตุเกส ต่อมาวันที่ 17 สิงหาคม ค.ศ. 2016 รอบรองชนะเลิศพบกับไนจีเรีย เพเทอร์เซินลงมาแทน Max Meyer ในนาทีที่ 84 และทำประตูในอีก 5 นาทีถัดมา และในวันที่ 20 สิงหาคม ค.ศ. 2016 เพเทอร์เซินลงมาแทน Selke อีกครั้งในนาทีที่ 76 ของนัดชิงเหรียญทอง หลังจบในเวลาปกติ เขายิงลูกโทษเป็นคนสุดท้ายแต่ก็พลาด ทำให้เยอรมนีได้เหรียญเงิน