Fredrik Petersen var professor i systematisk teologi ved universitetet i Kristiania fra 1875 til sin død og den dominerende skikkelse ved Det teologiske fakultet under det moderne gjennombrudd. Han var en betydelig bidragsyter i diskusjonen om religion og vitenskap.
På farssiden tilhørte Petersen en velstående kjøpmannsslekt i Stavanger. Hans danskfødte mor, som hadde tre døtre fra et tidligere ekteskap, hadde sterke kulturinteresser. Fredrik tilbrakte to år ved herrnhuternes skole i Christiansfeld, men fortsatte sin skolegang i Stavanger. Som 17-åring oppdaget han Søren Kierkegaard, og etter examen artium 1857 begynte han mot farens vilje å studere teologi. Han tilbrakte to år av studietiden i Tyskland og tok teologisk embetseksamen ved universitetet i Christiania 1862. Året etter ble han ansatt som lærer ved Aars og Voss' skole. Faren hadde da flyttet forretningsvirksomheten til Sverige, og 1863 gjorde han opp boet med hustru og barn. Petersen ble økonomisk uavhengig og giftet seg 1864 med Alida Brun, barnebarnsbarn av Johan Nordal Brun.
1866–68 oppholdt Petersen seg igjen ved tyske universiteter. 1868–73 var han universitetsstipendiat og arbeidet med avhandlingen Dr. Søren Kierkegaards Christendomsforkynnelse, som ble offentliggjort som en serie artikler i Theologisk Tidsskrift (utgitt samlet 1877). Etter to år som residerende kapellan i Skien ble han 1875 utnevnt til professor i teologi og overtok ansvaret for troslæren etter Gisle Johnson, som valgte å gå over til kirkehistorie.
1880 utgav Petersen foredraget Hvorledes bør Kirken møde Nutidens Vantro? Hans svar var at kristendommen måtte ta opp i seg og bearbeide forskningens resultater og utfordringer. Han fravek på mange områder de luthersk-ortodokse standpunkter, som i inspirasjonslæren og forsoningslæren. For de teologiske studentene lå den fremste utfordring i forholdet mellom tro og vitenskap, mellom det teologisk-kirkelige meningsunivers og det hegemonisk orienterte, moderne vitenskapsideal som allerede dominerte naturvitenskapene. Med sitt inderlige vesen og klare kristne vitnesbyrd kom Petersen til å bety svært mye for teologistudentene. 1883 påbegynte han utgivelsen av sin apologetisk anlagte troslære, Om Skabelsen, Opholdelsen og Styrelsen, hvor han utviklet sin overbevisning om at både vitenskapen og religionen gav uttrykk for sannheten, og at det ikke kunne være en motsetning mellom dem på sikt.
Ernst Sars hadde 1884 uttalt at den kristelige og den naturalistiske vitenskap ikke lenger tilhørte samme arena. Men Petersen gav ikke frivillig over den kulturelle arena til vantroen. Kirken og kulturen representerte etter hans mening to sider av det menneskelige liv som er bestemt til gjensidig å befordre og understøtte hverandre. Kirken må derfor tilegne seg og innarbeide i sin kristelige tankegang de resultater den nåværende forskning har brakt for dagen.
I sitt skrift Om Inspirationen (1887) tok Petersen til orde for en åpning mot den historisk-kritiske bibelforskningen. Senere fulgte flere titler innen samme problemkrets, som Fritænkerne og Kristentroens moralske Værd og Religion og Videnskab.
Fredrik Petersen var medlem av Videnskabsselskabet i Kristiania fra 1884 og ble utnevnt til ridder av 1. klasse av St. Olavs Orden 1887. Han døde 1903, og tilsettingen av Johannes Ording i det ledige professorat etter ham (1906) førte til den såkalte professorsaken og opprettelsen av Det teologiske Menighetsfakultet. Etter Petersens ønske opprettet hans enke et betydelig fond til vitenskapens fremme.