Petersen var valgt til Folketinget fra Københavns amtskrets 1998–2007, etter å ha blitt nominert fra Hvidovre og Brøndby kretser. Etter strukturreformen i 2007 ble han valgt til Folketinget fra Københavns omegns storkrets, som stort sett tilsvarte det samme området. Petersen var Radikale Venstres finans-, forsvars-, sikkerhets- og IT-politiske ordfører. I 2009 frasa han seg plassen i Folketinget for å tiltre som direktør i Foreningen af Danske Interaktive Medier. I 2011 ble organisasjonen ble innfusjonert i Danske Medier, der Petersen ble viseadministrerende direktør.