Han arbeidet i tidlige år med avtegning av segl. Av Hans Gude og Peter Christen Asbjørnsen ble han oppfordret til å studere. Han ble først utdannet ved Tegneskolen 1866–70 og hadde korte opphold hos Knud Bergslien og Morten Müller ved J.F. Eckersbergs malerskole. I 1871 flyttet han utenlands med opphold ved Det Kongelige Danske Kunstakademi i København, i Karlsruhe hos Hans Gude og ved kunstskolen i Karlsruhe, og hos Wilhelm von Diez (1839-1907) ved kunstakademiet i München (1873). I München malte han sitt kjente historiemaleri «Christian II undertegner dødsdommen over Torben Oxe» (1875/76), som ble kjøpt inn av i Stuttgart før Peterssen hadde gjort det ferdig. Senere oppholdt han seg i Roma (1879).