Pettersen dipilih pikeun ngagabung tim Norwegia dina Olimpiade Usum Tiis 2010 di Vancouver, Kanada. Dina acara Olimpiade kahijina, sprint individu
, anjeunna nempatkeun kagenep, salah sahiji ti tilu urang Norwégia anu lolos ka babak kompetisi final. Manéhna saterusna meunang medali emas jeung babaturanana Petter Northug dina acara tim sprint di finish deukeut jeung tim ti Jerman jeung Rusia. Mimitina, Pettersen henteu bade bersaing dina acara éta, tapi mundur menit terakhir ku juara dunya Ola Vigen Hattestad kusabab panyakit ninggalkeun slot kabuka, sareng Pettersen dipilih pikeun ngeusian éta. Sababaraha tim anu dina contention handap kinerja Pettersen urang salila leg kahiji lomba, jeung ieu teu nepi ka pasir panungtungan nu Northug diliwatan lawan sarta nyokot kalungguhan ngasupkeun stadion mana lomba réngsé.