Han startet sin Formel 1-karriere i Monacos GP 1970[4] i en March 701 og fikk en syvendeplass i dette løpet. I 1971 ble Peterson forfremmet til førstefører hos STP March. Dette året ble han nummer to i F1 VM etter Jackie Stewart.[4] Han vant ingen løp dette året, men fikk totalt fire andreplasser, blant annet i Italias GP på Monza hvor han var kun noen centimetere fra seieren.
Colin Chapman signerte Peterson for Team Lotus sammen med regjerende verdensmester Emerson Fittipaldi foran 1973- sesongen. Peterson startet sesongen dårlig med mange brutte løp før han endelig ble nummer tre i Monaco GP og sanket sine første VM poeng. I neste løp, Sveriges GP på Scandinavian Raceway på Anderstorp ledet Peterson i 78 av 80 runder. Han hadde en punktering på høyre bakhjul som gradvis forverret kjøreegenskapene til sin Lotus 72. Han ble allikevel nummer to etter å ha blitt forbikjørt av Denny Hulme på nest siste runde. I neste løp vant Peterson sitt første løp sommeren 1973 i det franske GP på Paul Ricard-banen.[4] Lotus endte opp med å vinne konstruktørmesterskapet, men de tapte førertittelen til Jackie Stewart som kjørte for Tyrrell. Colin Chapman hadde ikke med i kontrakten til Peterson eller Fittipaldi hvem som var førstefører. Peterson vant fire løp dette året og tok to andreplasser. Han ledet blant annet i Spania på Montjuich og på Zandvoort i Nederland overlegent da han måtte bryte grunnet problemer med girkassen. Han ledet også Italia GP fra start til mål og Chapman unnlot å gi beskjed til Ronnie at han skulle slippe Fittipaldi forbi slik at han kunne ta innpå Jackie Stewart i sammendraget i VM. Fittipaldi valgte etter dette å gå til McLaren i 1974 hvor han også vant VM dette året. Peterson endte på tredjeplass i VM etter Stewart og Fittipaldi med 52 poeng.
I 1974 fikk Peterson førstefører status i Lotus og inn kom Jacky Ickx som andrefører. Man introduserte en ny bil, Lotus 76 med elektrisk clutch, doble bakvinger og en del andre tekniske nyvinninger. Resultatene uteble og man valgte å gå tilbake til Lotus 72, som fortsatt viste seg relativt konkurransedyktig med tre seire med Peterson bak rattet.[4] Peterson vant i Monaco, i Frankrike på Dijon- banen og på Monza i 1974. Peterson endte i VM 1974 på 5.-plass, 10 poeng bak Fittipaldi som ble verdensmester. I 1975 fortsatte de å bruke den nå gamle Lotus 72 og Peterson endte helt nede på tolvteplass i VM dette året.
Etter to løp i 1976 brøt Peterson kontrakten med Lotus. Han returnerte[4] til March-teamet der han startet karrieren. Han tok en seier på Monza, og dette ble hans tredje seier på den banen. I 1977 gikk Peterson til Tyrell, og kjørte deres P34 med fire små framhjul. Bilen ble for tung og de spesielle framdekkene ble ikke videreutviklet av Goodyear i 1977. Tyrell ble derfor akterutseilt dette året. Peterson oppnådde en tredjeplass i Belgias GP på Zolder som beste resultat gjennom sesongen, forøvrig et løp hans landsmann Gunnar Nilsson vant i sin Lotus 78.
I 1978 returnerte Peterson til Lotus. Avtalen ble til ved at den italienske greven Gughie Zanon sponset Petersons bil og betalte lønn og bonuser ved poles og ved gode resultater i løpene. Han vant Sør-Afrikas GP på Kyalami og Østerrikes GP på Österreichring samme år i Lotus 78 og senere Lotus 79.[4]
Italia GP 1978 ble Petersons siste F1-løp. Under oppvarmingen søndag før løpet mistet han bremsene før andre sjikane, Variante della Roggia, og endte i sikkerhetsnettet i svært høy hastighet. Siden han hadde signert for McLaren under Belgias GP for 1979 hos Lotus, ville ikke Colin Chapman låne ut Andrettis reservebil. Han valgte derfor å stille opp i reservebilen, en Lotus 78 som sist ble brukt i Belgias GP av Peterson selv.
Starten på løpet ble utført altfor rask ettersom flere av bilene ikke hadde kommet frem til sine startplasser da starteren Gianni Restelli slukket lysene for starten. Bilene fra femte rekke og bakover var rullende da Restelli startet løpet, og det ble trangt inn mot første sjikane, Variante Goodyear. Riccardo Patrese fikk fordel av rullende start og passerte flere biler på utsiden av selve banen nærmest pitlane. Han kjørte forbi James Hunt på innsiden og Hunt ble så overrasket at han instinktivt svingte til venstre og fikk sitt fremhjul mellom Petersons høyre hjulpar. Peterson traff Hunts venstre fremhjul med sitt høyre bakhjul og Hunts bil løftet seg i sammenstøtet. Petersons Lotus 78 fikk en vridning mot høyre etter påkjørselen og braste med låste hjul rett inn i autovernet ved siden av banen i cirka 120 km/t. Bilen hans var fulltanket med nesten 200 liter drivstoff, og idet han traff barrieren eksploderte bilen. Mange av bilene som kom bak Peterson forsøkte å kjøre utenom bilen som ble kastet tilbake i veibanen, men ikke alle lyktes. Både Patrick Depailler, Didier Pironi og Vittorio Brambilla krasjet med den. Peterson ble sittende delvis fastklemt helt til James Hunt og Patrick Depailler kom til og fikk dratt ham løs fra vraket. På sykehuset ble det konstatert 27 brudd i begge bena, hvorav ett i lårbenet skulle bli fatalt. Under den påfølgende operasjon på Niguardia sykehuset utenfor Milano oppstod det komplikasjoner i etterkant hvor benmarg kom ut i blodbanen. Dette kalles fettemboli, og fettstoffet ble spredt i hele kroppen med blodet som hindret adekvat oksygentilførsel, som førte til hjernedød grunnet manglende oksygen i blodet. Peterson ble erklært død klokken 09:06 om morgenen 11. september, dagen etter ulykken. Han endte på andreplass i F1 VM 1978 etter stallkollega Mario Andretti. I ettertid har medisinske eksperter på komplikasjoner ved mange benbrudd uttrykt skepsis til hvordan Peterson ble behandlet etter ulykken. Kritikken går først og fremst på at Peterson ble operert for tidlig for bruddet i lårbenet som med stor sannsylighet forårsaket benmarg i blodbanen.
Peterson er i flere kåringer ranket som en av de beste førerne som ikke vant Formel 1-VM i sin karriere sammen med engelske Stirling Moss og canadieren Gilles Villeneuve. I en rangering av de raskeste førerne i F1 av F1 Racing i 2008 ble Peterson rangert som nummer fem. Listen ble laget etter innspill fra teamsjefer og kolleger fra F1. I 1976 etter Niki Laudas ulykke på Nurburgring ønsket temasjef Daniele Audetto i Ferrari og erstatte Lauda med Peterson. Når Lauda hørte dette la han ned veto mot dette, men Enzo Ferrari lot Audetto overprøve Lauda. Da ringte Lauda Giovanni Agnelli, som var styreformann og eide en majoritetsandel i Ferrari i egenskap av Fiatsjef, og overtalte Enzo Ferrari til å ikke la Ronnie få sete hos Ferrari. Lauda fryktet Peterson lynraske kjøring og han ble frakjørt av ham i 1972 når de var i samme stall, March.
Det ble satt opp en minnestatue i 2003 av Ronnie Peterson. Den er i bronse og utformet av Rickard Brixel med Peterson sittende over sin Lotus 72. Statuen står på Almbyplan i et boligområde utenfor sentrum av Örebro som var førerens hjemby.
Høsten 2017 kom spillefilmen Superswede, som omhandler datteren Nina Peterson opplevelser rundt tapet av sin far og sine møter med førere som Niki Lauda, Emerson Fittipaldi, John Watson og Mario Andretti som forteller historier om Petersons liv.
