Petersdorf wurde im Jahre 1271 erstmals als Petirsdorf urkundlich erwähnt. Das Reichsdorf war ein kaiserliches Geschenk an das Nordhäuser Domstift. An dem nahegelegenen Eichenberg, lag das Grafendorf Wachsbach, das 1294 von Truppen Kaiser Adolfs zerstört wurde und dessen Bewohner sich in Petersdorf ansiedelten. Nach dem Bauernkrieg 1525 kam das Dorf in den Besitz der Stolberger Grafen.
Die Petersdorfer St.-Johannis-Kirche besaß einst einen mächtigen Kirchturm. Dieser wurde im 30jährigen Krieg zerstört und später nicht wiederaufgebaut. Das Bauwerk erhielt in der Folgezeit sein heutiges Antlitz. Weil der neue Turmaufbau für das enorme Gewicht der Glocken nicht geeignet war, hängen diese seither in einem separaten Glockenhaus.
Seit dem 1.12.2007 ist Petersdorf ein Ortsteil der Stadt Nordhausen.
Außerdem gibt es eine Allgemeinmedizinerin, eine Physiotherapie Praxis und einige Unternehmen im Baugewerbe. In Petersdorf findet man außerdem eine Grundschule und einen Kindergarten. Die ehemalige Konsumverkaufsstelle wurde zur Schulküche umgebaut. Hier wird täglich für 1300 Schüler und Erwachsene ein gutes Mittagessen bereitet.
