Som ung var Petersen en dyktig treskjærer. De mange bevarte skisser, blyant- og tusjtegninger, akvareller, trykk og oljemalerier viser at han tidlig var i besittelse av gode tegneferdigheter. Han ble blant annet engasjert til å kopiere Adolph Tidemands Haugianerne til Holmenkollen Turisthotell. Hans allsidige virksomhet omfattet illustrasjonsarbeid, møbeldesign, tegning av faner, diplomer og plakater. Men Petersen var først og fremst landskapsmaler, og han planla å fortsette sine studier i Paris eller München. I 1876 ble han innstilt til Statens reisestipend uten å få det. Petersen oppholdt seg likevel i Paris nesten ett år, og hospiterte antagelig på École des Beaux-Arts, der han tilegnet seg det franske friluftsmaleriet. Petersen foretok hyppige studieturer rundt i landet og malte utallige bilder, særlig studier, foruten figur- og portrettarbeider (Direktør Thune-Larsen, Oslo Bymuseum). På Høstutstillingen 1883 viste han to studier, det ene et sjøbilde.
Petersen gjorde sin viktigste innsats som pedagog. Allerede i 1873 var han hjelpelærer i Den kgl. Tegneskoles elementærklasse og assistent for sin far i frihåndstegning. Han fortsatte som lærer ved Tegneskolen, fra 1884 som overlærer. I sitt 47-årige lærervirke underviste Petersen i fargelære, frihånds-, perspektiv- og konstruksjonstegning, men frihåndstegningen var hans hovedfag. Petersen nedla et stort arbeid med å tilrettelegge tegneundervisningen, også som lærebokforfatter og oppfinner av tegneutstyr. Petersen var en av grunnleggerne av tindesporten i Norge.
