เพเทอร์เซินเคยเป็นส่วนหนึ่งของทีมชาติเยอรมนี รุ่นอายุไม่เกิน 19 ปี และทำประตูในการพบกับรัสเซีย ในการแข่งขันฟุตบอลชิงแชมป์แห่งชาติยุโรป รุ่นอายุไม่เกิน 19 ปี 2007 ต่อมาเขาติดทีมชาติรุ่นอายุไม่เกิน 20 ปี และในวันที่ 6 สิงหาคม ค.ศ. 2009 เขาติดทีมชาติรุ่นอายุไม่เกิน 21 ปี[1]

เพเทอร์เซินติดทีมชาติเยอรมนีชุดโอลิมปิก ในการแข่งขันโอลิมปิกฤดูร้อนที่รีอูดีจาเนรู โดยเป็น 1 ใน 3 ผู้เล่นอายุเกิน 23 ปีที่ได้รับอนุญาตให้แข่งขัน ร่วมกับลาร์ส และสเวน เบนเดอร์ ต่อมาวันที่ 4 สิงหาคม ค.ศ. 2016 เขาลงเล่นในฐานะตัวรองโดยลงมาแทนดาวี เซ็ลเคอ ในนาทีที่ 84[2] สามวันถัดมา เขาลงเป็นตัวสำรองแทนที่เซ็ลเคอในนาทีที่ 83[3] ต่อมาในวันที่ 10 สิงหาคม ค.ศ. 2016 เขาลงเล่นตัวจริงและยิงห้าประตูในนัดที่ชนะฟีจี 10–0[4] ต่อมาวันที่ 13 สิงหาคม ค.ศ. 2016 เขาลงเล่นตัวสำรองในนาทีที่ 78 แทนเซ็ลเคออีกครั้งในนัดพบกับโปรตุเกส[5][5] ต่อมาวันที่ 17 สิงหาคม ค.ศ. 2016 รอบรองชนะเลิศพบกับไนจีเรีย เพเทอร์เซินลงมาแทน Max Meyer ในนาทีที่ 84[6] และทำประตูในอีก 5 นาทีถัดมา[6] และในวันที่ 20 สิงหาคม ค.ศ. 2016 เพเทอร์เซินลงมาแทน Selke อีกครั้งในนาทีที่ 76 ของนัดชิงเหรียญทอง[7] หลังจบในเวลาปกติ เขายิงลูกโทษเป็นคนสุดท้ายแต่ก็พลาด ทำให้เยอรมนีได้เหรียญเงิน[7][8]