Wilhelm Petersen gehört zu den Komponisten des 20. Jahrhunderts, die abseits der Avantgarde ihren eigenen Weg verfolgten. Zwar begleitete er den revolutionären Aufbruch des Expressionismus mit Einsicht in die Notwendigkeit neu zu entwickelnder Ausdrucksformen, fand aber um 1925 nach einer experimentellen Phase am Rande der Tonalität zu einer tonal zentrierten und formal geklärten Tonsprache. Die im tradierten Material noch schlummernden Entwicklungsmöglichkeiten interessierten ihn, wobei der ethische Anspruch seines Komponierens sich an der großen sinfonischen Tradition des 19. Jahrhunderts orientierte. Dabei ging es Petersen weniger um Wiederbelebung eines romantischen Subjektivismus, sondern um Verwesentlichung der Tonsprache durch Besinnung auf das, was er »musikalische Urqualitäten« nannte.
Knüpfen seine ersten drei mit Opuszahlen versehenen Werke an die symphonische Tradition vor allem Brucknerscher Prägung an, versuchte Wilhelm Petersen in einer kurzen Phase intensiven Schaffens von 1919 bis 1924 sich mit der zeitgenössischen Musiksprache auseinanderzusetzen. Von diesen stark dissonierenden, freilich niemals die Tonalität verlassenden Werke mit stark polyphoner Faktur beließ Petersen jedoch nur seine 2. Symphonie op. 4, das Streichquartett op. 8 und ein Werk für Violine und Klavier op. 11 in ihrer ursprünglicher Gestalt, während andere Werke dieser Phase entweder umgearbeitet oder ganz aus dem Werkverzeichnis herausgenommen wurden. Die Werke nach der »Umrichtung des Schaffens« um 1925, wie Petersen es nannte, spiegeln das Bestreben des Komponisten, »den persönlichen Ausdruck gegenüber objektiver Gestaltung zurücktreten zu lassen«. Ein wiedergewonnenes Verhältnis zu einer individuell erweiterten Harmonik wurde bestimmend: »Tonalität als formbauende Kraft gewann wieder Bedeutung für mich, Chromatik und hochgesteigerte Linearität wurden zugunsten einer klareren Klangform vereinfacht.«
Nach erfolgreichen Uraufführungen seiner ersten beiden Symphonien zu Beginn der Zwanziger Jahre hatte Petersens Namen in Deutschland einen guten Klang. Sein kompositorisches Können und die Wahrhaftigkeit seiner Aussage wurden nie bezweifelt; freilich fand man ihn abseits der geschichtsträchtigen Richtungen. So zählen zu den wenigen Höhepunkten seines öffentlichen Wirkens die Uraufführungen seiner Großen Messe op. 27 unter Karl Böhm (1930) und seiner Oper Der Goldne Topf (1941).
Die 1972 gegründete Wilhelm-Petersen-Gesellschaft e.V. in Darmstadt fördert das Werk des Komponisten durch Konzerte, Publikationen, die Drucklegung von Noten und die Einspielung auf Tonträger.