Petersen tok doktorgraden i 1876 og ble ansatt ved i 1879. Han ble inspektør for minnesmerkenes bevarelse i 1885 og direktør for Nationalmuseets nyere avdelinger i 1892. Etter at i sin ungdom (1873-85) ha deltatt i arkeologiske undersøkelser rundt omkring i Danmark ledet han siden omfattende utgravninger av borg- og kirkeruiner. Utenom en mengde mindre avhandlinger (, 1875, , 1882 med flere) utga han (1876), (1886), (1888) og (1892-97, avsluttet av Anders Thiset) samt medvirket i Frederik Sehesteds (1878) og (1884).