Pettersenas buvo išrinktas Norvegijos komandos narys 2010 metų žiemos olimpinėse žaidynėse Vankuveryje, Kanadoje. Pirmojo olimpinio varžybų metu, individualiame sprinte
, jis užėmė šeštąją vietą, vieną iš trijų norvegų, kurie pasiekė paskutinį varžybų etapą. Vėliau jis laimėjo aukso medalį kartu su savo komandos draugu Petteriu Northugu komandiniame sprinto varžybose, kur glaudžiai susilaukė Vokietijos ir Rusijos komandų. Iš pradžių Pettersenas negalėjo dalyvauti varžybose, bet pasaulio čempiono Ola Vigen Hattestado pasitraukimas paskutinę minutę dėl ligos paliko laisvą vietą, ir Pettersenas buvo pasirinktas ją užpildyti. Po Peterseno pasirodymo per pirmąją lenktynių etapą, buvo daug komandų, ir tik per paskutinę kalvą Northug praėjo savo priešininkus ir ėmė vadovauti, įžengdamas į stadioną, kur baigėsi lenktynės.