Il suo primo film fu Pilotinnen, che diresse per la sua laurea nel 1995. Nel 2005 il suo film Gespenster fu presentato al Festival internazionale del cinema di Berlino, come pure il suo film del 2007 Yella. Petzold scrive da solo le sue sceneggiature, spesso collaborando con Harun Farocki. Siccome Farocki fu suo insegnante alla DFFB, egli ebbe ed ha una grande influenza su Petzold (così come l'hanno Angela Schanelec e Thomas Arslan); questo fatto pone tradizionalmente Petzold all'interno della cosiddetta Scuola di Berlino.
Comunque, mentre questo gruppo è spesso associato con un ritorno al realismo e al cinema politico, gli ultimi film di Petzold, a partire da Die innere Sicherheit, trattano principalmente di conflitti tra la vita e la morte attraverso situazioni lavorative. In Gespenster il protagonista conduce un'esistenza simile a quella di un fantasma[2], in Yella il protagonista è, probabilmente, già morto al principio del film. Queste tre pellicole furono raggruppate nella cosiddetta Gespenster Trilogy[3].
Il film del 2008 Jerichow fu la sua quarta collaborazione con Nina Hoss dopo Something to remind me (in tedesco: Toter Mann), Wolfsburg e Yella. La trama narra di un soldato che, ritornato dall'Afghanistan a Prignitz, resta coinvolto in una relazione con una donna sposata. Il film ottenne una nomination nella competizione principale della 65ª Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia nel 2008.
Nel 2009, Petzold fu nominato per questo film come best director per il premio Deutscher Filmpreis[4].