Skryf 'n voortsetting vir hierdie paragraaf - Pettersen is gekies om by die Noorse span aan te sluit by die 2010 Winter Olimpiese Spele in Vancouver, Kanada. In sy eerste Olimpiese wedstryd, die individuele sprint
, het hy die sesde plek behaal, een van drie Noorweërs wat dit tot die finale kompetisie-ronde gemaak het. Hy het later 'n goue medalje saam met sy spanmaat Petter Northug in die spansprint-byeenkoms gewen in 'n noue eindstryd met spanne uit Duitsland en Rusland. Oorspronklik was Pettersen nie van plan om aan die wedstryd deel te neem nie, maar 'n onttrekking op die laaste oomblik deur wêreldkampioen Ola Vigen Hattestad weens siekte het 'n plek oop gelaat, en Pettersen is gekies om dit te vul. 'n Aantal spanne was in die wedstryd ná Pettersen se vertoning tydens die eerste been van die wedloop, en dit was eers op die laaste heuwel dat Northug sy teenstanders verbygegaan het en die voortou geneem het om die stadion in te gaan waar die wedloop geëindig het.