Pettersen var valinn í norska liðið á vetrarólympíuleikunum 2010 í Vancouver í Kanada. Í fyrstu Ólympíuleikunum hans,
, varð hann í sjötta sæti, einn af þremur Norðmönnum sem komust í lokaumferð keppninnar. Hann vann síðar gullverðlaun með liðsfélaga sínum Petter Northug í liðshlaupinu í liðshlaupum í náinni lokun með liðum frá Þýskalandi og Rússlandi. Upphaflega átti Pettersen ekki að keppa í keppninni, en heimsmeistari Ola Vigen Hattestad dróst úr keppni í síðustu stundu vegna veikinda og því varð pláss laust og Pettersen var valinn til að fylla það. Fjöldi liða var í keppni eftir frammistöðu Pettersen á fyrsta hluta keppninnar og það var ekki fyrr en á síðustu brekku sem Northug komst yfir andstæðinga sína og tók forystuna inn á völlinn þar sem keppnin lauk.