Тайный советник (с 31.03.1874), гофмейстер Высочайшего двора (с 1873). Происходил из дворян. Внук Х.И. Петерсона, старший сын Александра Христофоровича Петерсона (1759-1825), действительного статского советника, секретаря российской миссии в Мюнхене, от брака с графиней Эмилией Элеонорой фон Ботмер (1799 или 1800-1838), пасынок Ф.И. Тютчева.
21.01.1831 он поступил кадетом в Морской корпус, будучи гардемарином, произведён за успехи в фельдфебеля корпуса и 23.12.1836 был выпущен мичманом в 7-й флотский экипаж. Был оставлен при корпусе для окончания офицерских классов, но в 1838 вышел из них и в том же году на люгере «Ораниенбаум» сопровождал за границу императора Николая I с наследником и великими княжнами, за что в награду получил золотые часы. В 1839 на пароходофрегате «Богатырь» ходил с членами императорской фамилии из Кронштадта в Свинемюнде, а затем с императором из Кронштадта на Готланд. В 1840 переведен на Черноморский флот, на линкоре «Силистрия» и фрегате «Флора» крейсировал у берегов Абхазии. В 1841 за отличие в сражениях с черкесами при Туапсе и Псезуапе получил орден св. Анны 4-й степ. 9.05.1844 вышел в отставку с чином капитан-лейтенанта.
Определившись 31.05.1844 в ведомство МИД, Петерсон 15.01.1845 был назначен вице-консулом в Данциг, в 1846 временно исправлял должность старшего секретаря миссии в Дрездене, а в 1848 — поверенного в делах в Дрездене и Веймаре и 28 августа за отличие получил чин коллежского асессора. 13.09.1848 он был назначен старшим советником при миссии в Дрездене (где он неоднократно исправлял должность поверенного в делах), 29.03.1852 переведён на ту же должность в Лиссабон и здесь несколько раз заменял поверенного в делах. 10.04.1854 Петерсон был пожалован в звание камер-юнкера Двора Е.И.В., с 1859 был старшим советником посольства в Берлине, в 1865-1866 - поверенным в делах при Великом Герцогстве Саксен-Веймарском. В 1866 пожалован в звание камергера. 12.10.1866 произведён в действительные статские советники. 17.12.1866 назначен директором канцелярии МИД, занимал этот пост до конца жизни.
За службу был удостоен российских орденов Св. Анны 4-й степ. (1841), Св. Владимира 4-й степ. (1859), Св. Станислава 1-й степ. (1870), Св. Анны 1-й степ. (1871), а также иностранных орденов: Христа командорского креста (Португалия, 1855), Непорочного зачатия Девы Марии Вилла-Викозской командорского креста (Португалия, 1856), Леопольда офицерского креста (Бельгия, 1858), Красного орла 2-й степ. (Пруссия, 1865), Белого сокола 1-й степ. (Саксен-Веймар, 1867), Нидерландского льва 2-й степ. большого креста (1867), Спасителя со звездой командорского креста (Греция, 1867), Св. Маврикия и Лазаря со звездой командорского креста (Италия, 1867), Льва и Солнца 1-й степ. (Персия, 1868), Заслуг со звездой командорского креста (Ольденбург, 1868), Меджидие 1-й степ. (Османская империя, 1871), Короны 1-й степ. (Пруссия, 1873), Железной короны 1-й степ. (Австро-Венгрия, 1874). Имел также бронзовую медаль «В память войны 1853—1856».
Был женат (с 18.09.1855) на Марии Ивановне Озеровой (1836-1906), дочери И.П. Озерова. Старший сын, действительный статский советник, камергер Иван Карлович (1859-1940), находился на дипломатической службе, был консулом в Фиуме (1893-1900), Яссах (1900-1902), генеральным консулом в Амстердаме [1902-1915(?)], был женат на сестре К.Д. Набокова. Также Петерсоны имели детей: Марию-Магдалену Карловну (1856-1931), замужем за графом Э. фон Монжелом; Анну Карловну (1857-1920); Александра Карловича (1867-1908).
