Kjeld Petersen var søn af direktionssekretær John B. Petersen. Han læste hos skuespillerne Hans Egede Budtz og Albert Luther og forsøgte forgæves at blive optaget på Det kongelige Teaters elevskole. Han gik et års tid på Niels Brocks Handelsskole og medvirkede i Niels Brock Revyen 1939. Han debuterede som skuespiller i det seriøse rollefag i efteråret 1939 som Tom i "Johnson over Jordan" på Betty Nansen i 1949 spillede han for første gang sammen med Dirch Passer -et makkerskab, der senere kom til at udfolde sig i Stig Lommers revyer på ABC Teatret 1955-58 og resulterede i det crazykomiske projekt Kellerdirk Bros., der anses som et af de absolutte højdepunkter i dansk revyhistorie. Stig Lommer lancerede dem i revyen "Det lille ABC-Hus" i 1955 og de udfoldede sig siden i forestillinger som "Knaldperler", "ABC for viderekomne", "På slap line", "Skal vi sofa eller hva", "Carmen Jensen" og "Spræl, sprællemand, spræl". De supplerede hinansen i klassiske sketches som "Brdr. Tapetersen", "Tømmerflåden" (fra revyen "På slap line" 1957) og "Skolekammerater". Meget ofte fortsatte de morskaben efter teatertid på natlige soldeture rundt om på værtshuse i det indre København. Kjeld Petersens stigende alkoholforbrug udviklede sig til et problem, når han enten udeblev eller mødte stærkt beruset op til prøver og teaterforestillinger. I slutningen af 1958 ophørte samarbejdet med Dirch Passer. . I oktober 1960 kom det til et brud mellem Kjeld Petersen og Stig Lommer og Kjeld Petersen blev løst fra sin kontrakt mod at lægge 50.000 kr. på bordet, hvorefter han "flygtede" til Mallorca. I maj 1962 fik Kjeld Petersen og Dirch Passer et come-back i forestillingen "Holder De af Brams, Passer og Petersen" som genoplivede Kellerdirk-duoen med Ingeborg Brams som tredie hjul. Men natten efter premieren døde Kjeld Petersen af et hjerteslag. Han blev fundet død i sin lejlighed i Smallegade på Frederiksberg få timer efter at han havde haft en overvældende succes på Stig Lommers ABC-Teater. Kjeld Petersen medvirkede i mange film, bl.a. "Den usynlige hær" fra 1945, der var hans første, "Sønnen fra Amerika" fra 1957 - "Færgekroen", "Lykkens musikanter", "Det tossede paradis", "Sømænd og svigermødre" og "Det var på Rundetårn", hvor han i filmen sang "Vognen og mig". Størst ros høstede Kjeld Petersen for udfoldelsen af hele sit komiske register I "Vi er alle sammen tossede" fra 1959 som den skatteplagede dansker, der indlægges som bindegal. En rolle som han iøvrigt modtog en Bodil for. Sammen med Dirch Passer medvirkede han også i reklamefilm, bl.a. for tøjfirmaet Crome & Goldschmidt, der var så populære, at folk nærmest gik i biografen for at se dem. Kjeld Petersen indspillede flere grammofonplader bl.a. "Bare Græd" fra 1953. Han var bror til filmkritiker og manuskriptforfatter Bent Grasten (02-01-1925 - 08-10-2004). Kjeld Petersen blev den 2. maj 1953 gift i Birkerød Kirke