Pettersen dipilih kanggo gabung karo tim Norwegia ing Olimpiade Musim Dingin 2010 ing Vancouver, Kanada. Ing acara Olimpiade sing sepisanan, sprint individu
, dheweke dadi nomer enem, salah siji saka telung wong Norwegia sing mlebu ing babak kompetisi pungkasan. Dheweke banjur menang medali emas karo kanca tim Petter Northug ing acara sprint tim ing finish sing cedhak karo tim saka Jerman lan Rusia. Wiwitane, Pettersen ora bakal saingan ing acara kasebut, nanging penarikan menit pungkasan dening juara dunia Ola Vigen Hattestad amarga lara ninggalake slot mbukak, lan Pettersen dipilih kanggo ngisi. Sawetara tim ana ing pertandhingan sawise kinerja Pettersen sajrone leg pertama balapan, lan ora nganti bukit pungkasan nalika Northug ngliwati mungsuh lan dadi pimpinan mlebu ing stadion ing endi balapan rampung.