Pierwszy sukces w Gösta Pettersson osiągnął w 1964 roku, kiedy zdobył brązowy medal w wyścigu ze startu wspólnego amatorów podczas szosowych mistrzostw świata w Sallanches. W zawodach tych wyprzedzili go jedynie dwaj Belgowie: Eddy Merckx oraz Willy Planckaert. Na rozgrywanych trzy lata później mistrzostwach świata w Heerlen wspólnie ze swymi braćmi: Sture, Erikiem i Tomasem zdobył złoty medal w drużynowej jeździe na czas. Wynik ten bracia powtórzyli na mistrzostwach świata w Montevideo w 1968 roku i rozgrywanych rok później mistrzostwach w Pradze. Ponadto wygrał także wyścig Dookoła Tunezji w 1964 roku, Dookoła Maroka w 1967 roku, Milk Race w 1968 roku, Tour de Romandie w 1970 roku oraz Giro d’Italia i Giro dell'Appennino w 1971 roku. W 1970 roku zajął trzecie miejsce w klasyfikacji generalnej Tour de France, za Merckxem i Holendrem Joopem Zoetemelkiem.