Pettersen valittiin Norjan joukkueeseen Vancouverissa 2010 järjestettäviin talviolympialaisiin. Ensimmäisessä olympiakilpailussa -
, hän sijoittui kuudenneksi, yksi kolmesta norjalaisesta, jotka pääsivät kilpailun loppukerrokselle. Hän voitti myöhemmin kultamitalin joukkuetoverinsa Petter Northugin kanssa joukkuesprintissä, jossa hän oli tiukassa pisteessä Saksan ja Venäjän joukkueiden kanssa. Alun perin Pettersen ei aikonut kilpailla, mutta maailmanmestari Ola Vigen Hattestadin viime hetken vetäytyminen sairauden vuoksi jätti paikan auki, ja Pettersen valittiin täyttämään sen. Useat joukkueet kilpailivat Pettersenin suorituksen jälkeen kilpailun ensimmäisessä vaiheessa, ja vasta viimeisellä kukkulalla Northug ohitti vastustajansa ja otti johdon stadionille, jossa kilpailu päättyi.