Najważniejszym punktem &lt;a href="Puchar%20%C5%9Awiata%20w%20biegach%20narciarskich%202010/2011"&gt;sezonu 2010/2011&lt;/a&gt; były mistrzostwa świata w Oslo, gdzie Northug zdobył pięć medali. Pierwszą konkurencją był sprint stylem dowolnym, w którym zajął drugie miejsce, ulegając Hellnerowi o 0.6 sekundy i wyprzedzając Jönssona o kolejne pół sekundy. Następnie zwyciężył w biegu łączonym na 30 km, wyprzedzając Rosjan Maksima Wylegżanina i Ilję Czernousowa, a razem z Olą Vigenem Hattestadem był drugi w sprincie drużynowym techniką klasyczną. Wspólnie z Sundbym, Rønningiem i Tordem Asle Gjerdalenem zwyciężył w sztafecie, a indywidualnie był najlepszy także w biegu na dystansie 50 km technika dowolną, w którym wyprzedził Wylegżanina o 1.7 sekundy oraz Gjerdalena o 6.3 sekundy. Wraz ze swoją rodaczką Marit Bjørgen zostali najbardziej utytułowanymi sportowcami na tych mistrzostwach, oboje zdobyli po 5 medali, z tym że Norweżka wywalczyła aż cztery złote. W rywalizacji Pucharowej Petter nie pojawił się w inauguracyjnym cyklu Ruka Triple rozgrywanym w Ruce, startując w grudniu 2010 roku w Davos, gdzie był trzynasty w biegu na 15 km klasykiem, a w sprincie stylem dowolnym zajął dopiero 28. miejsce. Poprawił się już sześć dni później w La Clusaz, gdzie był drugi w biegu na 30 km stylem dowolnym. W piątej edycji Tour de Ski był ponownie drugi, o 27 sekund za Cologną i ponad minutę przez Lukášem Bauerem. Ponadto był trzeci w sprincie stylem dowolnym i biegu na 15 km klasykiem w Drammen oraz zwyciężył w Finale Pucharu Świata. W klasyfikacji generalnej ponownie musiał uznać wyższość Dario Cologni, w klasyfikacji sprinterskiej zajmując siódme miejsce, a w dystansowej czwarte. W marcu 2011 roku został także mistrzem kraju na dystansie 50 km stylem dowolnym.