Petraeus memimpin Divisi Angkutan Udara ke-101 pada Invasi Irak 2003 dan pada pendudukan kesatuan itu atas Mosul hingga pertengahan 2004. Petraeus banyak dipuji karena efektivitasnya dalam menata Mosul, di mana ketertiban masyarakat dengan segera runtuh pada 2004, tak lama setelah Divisi ke-101 meninggalkannya.