Nils Petersen (Wernigerode, 6 december 1988) is een Duitse voetballer die doorgaans in de aanval speelt. Hij tekende in juni 2015 bij SC Freiburg, dat hem in het voorgaande halfjaar al huurde van Werder Bremen. Petersen debuteerde in 2018 in het Duits voetbalelftal.
Petersen stroomde in 2006 door vanuit de jeugd van FC Carl Zeiss Jena. Daarmee speelde hij twee jaar in de 2. Bundesliga en daarna nog een half seizoen in de 3. Liga. Petersen verruilde Carl Zeiss Jena op 6 januari 2009 voor FC Energie Cottbus, waar hij een contract tot de zomer van 2012 ondertekende. Hiermee speelde hij zijn eerste wedstrijden in de Bundesliga. Hij degradeerde aan het eind van dat seizoen met Cottbus naar de 2. Bundesliga, waarin hij vervolgens op stoom raakte. Nadat hij in het seizoen 2009/10 tien keer scoorde in 22 competitiewedstrijden, werd hij in het seizoen 2010/11 topscorer van de 2. Bundesliga met 25 doelpunten.