Sture Petterson war einer der vier Fåglum-Brüder, die als Team in den 1960er Jahren die Disziplinen Mannschaftsverfolgung auf der Bahn und Mannschaftszeitfahren auf der Straße dominierten. Viermal wurden die Brüder gemeinsam Weltmeister, 1967, 1968 und 1968 im Zeitfahren. Bei den Olympischen Sommerspielen 1964 in Tokio errang Sture Pettersson gemeinsam mit seinen Brüdern Gösta und Erik sowie Sven Hamrin die Bronzemedaille im Mannschaftszeitfahren. Vier Jahre später, bei den Olympischen Sommerspielen in Mexiko-Stadt, errangen Sture, Gösta, Erik und der vierte Bruder Tomas Pettersson die Silbermedaille in derselben Disziplin.