Etter oppvekst og grunnleggende studier i Trondheim, reiste Petersen til USA, hvor han i 1986 fikk en PhD-grad på et arbeid om USA og avkolonialiseringsprosessen i Storbritannia og Frankrike. Etter retur til Norge arbeidet Petersen i en tiårsperiode på midlertidige kontrakter ved Dronning Mauds minne og Universitetet i Trondheim, før han i 1997 ble fast ansatt som førsteamanuensis ved Institutt for historie og klassiske fag, NTNU. I 2004 ble han etter søknad vurdert som professorkompetent.