Pettersen alichaguliwa kujiunga na timu ya Norway katika Michezo ya Olimpiki ya Majira ya baridi kali ya 2010 huko Vancouver, Kanada. Katika mashindano yake ya kwanza ya Olimpiki, mbio za mtu binafsi
, alichukua nafasi ya sita, mmoja wa Wanorway watatu ambao walifika kwenye raundi ya mwisho ya mashindano. Baadaye alishinda medali ya dhahabu na mwenzake Petter Northug katika tukio la mbio za timu katika kumaliza karibu na timu kutoka Ujerumani na Urusi. Awali, Pettersen hakuwa na kwenda kushindana katika tukio hilo, lakini dakika ya mwisho kujiondoa na bingwa wa dunia Ola Vigen Hattestad kutokana na ugonjwa kushoto nafasi wazi, na Pettersen alichaguliwa kuijaza. Timu kadhaa zilikuwa katika mashindano kufuatia utendaji wa Pettersen wakati wa mguu wa kwanza wa mbio, na haikuwa hadi kilima cha mwisho kwamba Northug alipitisha wapinzani wake na kuchukua uongozi kuingia uwanja ambapo mbio zilimalizika.