Petersen on pelannut Saksan nuorisomaajoukkueissa. Rio de Janeiron olympialaisissa 2016 hän saavutti hopeaa. Hän pelasi olympiaturnauksessa Saksan kaikissa kuudessa ottelussa ja teki viisi maalia alkulohko-ottelussa Fidžiä vastaan sekä yhden maalin välieräottelussa Nigeriaa vastaan tultuaan kentälle vasta ottelun 85. minuutilla. Saksan A-maajoukkueessa hän on pelannut kesäkuussa 2018 ystävyysottelussa Itävaltaa vastaan ja syyskuussa 2018 ystävyysottelussa Perua vastaan.[2]