1 A felnőtt klubokban játszott mérkőzések és gólok csak a bajnoki mérkőzések adatait tartalmazzák. Utolsó elszámolt mérkőzés dátuma: 2021. január 2. 2 Utolsó elszámolt válogatott mérkőzés dátuma: 2018. szeptember 9.
Petersen a pályafutását szülővárosában az FC Einheit Wernigerode-ban kezdte és az VfB Germania Halberstadt-ban folytatta. Később a Jena-i sportiskolába járt és játszott az ifjúsági csapatukban, végül 2007-ben távozott.
FC Carl Zeiss Jena
2005 februárjában kapott egy szerződést, de az első csapatban való bemutatkozás előtt sok tapasztalatot szerzett az Oberligában a tartalékok között. 2007. február 4-én történt meg az első csapatban való bemutatkozás, egy 1. FC Köln elleni meccsen Mohammed El Berkani cseréjeként lépett pályára.
FC Energie Cottbus
Petersen 2008-ban eligazolt az Energie Cottbusba. A Cottbus az utolsó meccsen 3-0-ra legyőzte A Bayer Leverkusen-t és osztályozó helyen végzett, de alulmaradt az 1. FC Nürnberg-el szemben így visszaesett a Bundesliga 2-be. A 2009-10-es szezonban Petersen ritkán játszott. A téli szünet után egyre több játéklehetőséget kapott. 14 mérkőzésen, 9 gólt szerzett. A 2010-11-es szezonban sok játéklehetőséget kap. A szezonban 33 mérkőzésen, 25 gólt szerzett. 2011 februárjában több Bundesligás csapat felfigyelt rá.
FC Bayern München
2011. május 19-én Petersen aláírt az FC Bayern München-hez. A szerződés 2014. június 30-ig tart. Petersen a 9-es mezt kapta meg, ami olyan híres játékosoké volt, mint Gerd Müller, Giovane Elber és Luca Toni. Petersen az első mérkőzésén mesterhármast szerzett a Trentino ellen.
