Petersen var direktør ved Stavanger Museum fra 1923 til 1958, og i perioden han satt der nedla han et stort arbeid med utgraving og publisering av jernaldergårdene på Sørvestlandet. Han har en stor del av æren for bevaringen og restaureringen av Utstein kloster. I 1928 ble han innvalgt i Det Norske Videnskaps-Akademi.