Nils Petersen, der in der kommenden Woche in Bremen noch seinen Medizincheck absolvieren und beim Trainingsauftakt am Donnerstag, 05.07.2012, dabei sein soll, begann die Karriere bei seinem Heimatverein FC Einheit 90 Wernigerode. Über die Stationen 1. FC Wernigerode, FC Einheit Wernigerode und VfB Germania Halberstadt landete der 23-Jährige beim FC Carl-Zeiss Jena, wo er den Sprung in den Seniorenbereich schaffte.
In der Winterpause der Saison 2008/2009 wechselte der Stürmer zu Energie Cottbus, wo er zwischen 2009 und 2011 56 Zweitliga-Spiele bestritt und 35 Tore erzielte. Petersen wurde mit 25 Treffern Zweitliga-Torschützenkönig der Saison 2010/2011. Im vergangenen Jahr wechselte der ehemalige U 21-Nationalspieler zum FC Bayern München.
Beim deutschen Rekordmeister kam er neun Mal in der Bundesliga zum Einsatz und erzielt dabei zwei Tore. Drei Mal zeigte sich Petersen mit dem FCB in der Champions League sowie ein Mal in der Qualifikation zur Königsklasse.