Im Sommer 2013 kam der Angreifer vom FC Bayern München an die Weser, zuvor trug er bereits für ein Jahr auf Leihbasis das Trikot des SV Werder. Für die Grün-Weißen erzielte er in 69 Bundesliga-Spielen 18 Tore und steuerte neun Assists bei. Auch im DFB-Pokal kam Petersen dreimal für Werder zum Einsatz.