Nikolaj Petersen er uddannet historiker, men har haft hele sin karriere inden for statskundskab (international politik). Med denne baggrund har meget af hans forskning bevæget sig i grænseområdet mellem statskundskab og historie. Emnerne har fortrinsvis ligget inden for dansk udenrigspolitik (sikkerheds- og markedspolitik, herunder sikkerhedspolitik vedr. Grønland), europæisk politik og udenrigspolitisk teori . Overordnet set har Nikolaj Petersens forskning temamæssigt kredset om koldkrigsproblematikken og (de senere år) om dansk udenrigspolitik efter den kolde krig. Over årene er det blevet til omkring 250 publikationer i bøger og danske og udenlandske tidsskrifter. Samtidig har han været redaktør på bøger og tidsskrifter, således det nordiske internationale tidsskrift Cooperation and Conflict 1976-79, Dansk Udenrigspolitisk Årbog 1982-94 og bogværket ’Dansk Udenrigspolitiks Historie’ (6 bind). Her skrev han bind 6, ’Europæisk og globalt engagement’, der omfatter perioden 1973 til 2006, som for perioden op til 1999 er baseret på udstrakt adgang til Udenrigsministeriets akter. Også tidligere forskning, specielt af Danmarks optagelse i Nato, har været baseret på primært kildemateriale, både dansk og amerikansk og britisk. Denne forskning har ifølge Nikolaj Petersen selv i høj grad nydt godt af liberaliseringen af den danske arkivlov. 1993-97 sad professoren i tilgængelighedsudvalget, der skulle overvåge gennemførelsen af arkivloven af 1992. Nikolaj Petersen blev cand.mag. i historie og engelsk fra Aarhus Universitet i 1966. Efter en periode som sekretær for Dansk Udenrigspolitisk Institut var han fra 1970 ansat på Aarhus Universitet, først som lektor og fra 1985 og de følgende 20 år som professor.
Efter pensioneringen i 2005 har han fortsat sin forskning og bl.a. inddraget den nyeste udvikling i Arktis og Grønland, dansk udenrigspolitik efter den kolde krig samt diskussionen om dansk politik under den kolde krig.
