Pettersen teki läpimurtonsa kaudella 2002–2003, jolloin hän voitti kaksi maailmancupin osakilpailua (Trondheimissa ja Sapporossa) ja sijoittui cupin loppupisteissä kymmenenneksi. Val di Fiemmen MM-kisoissa hän kuului joukkuemäen pronssia saavuttaneeseen Norjan joukkueeseen.