Øystein Pettersen startet für Bækkelagets SK. Er trat seit 2002 zunächst in FIS- und Continental-Cup-Rennen an. Bei den Junioren-Weltmeisterschaften 2003 in Sollefteå wurde Petterson Fünfter über 10 und Sechster über 30 Kilometer. Mit der norwegischen Staffel gewann er die Silbermedaille. Anschließend wurde er in Oslo erstmals im Weltcup eingesetzt und wurde in einem Sprintrennen 45. Von gelegentlichen Einsätzen im Weltcup ohne herausragende Ergebnisse abgesehen, startete Pettersen zunächst weiter in unterklassigen Rennen wie Continental-Cup, Nordamerika-Cup, Skandinavien-Cup und FIS-Rennen. Erstmals im März 2006 konnte er in Borlänge als Achter im Sprint eine Platzierung unter den Besten Zehn erreichen. Seinen internationalen Durchbruch erreichte der Norweger zu Beginn der &lt;a href="Skilanglauf-Weltcup%202006/07"&gt;Saison 2006/07&lt;/a&gt;. In Düsseldorf wurde er hinter Eldar Rønning Zweiter im Sprint und mit diesem ebenfalls Zweiter im Team-Sprint am darauf folgenden Tag. In der Saison zeigte er immer wieder gute Leistungen, auch wenn er sie nicht konstant auf gleichbleibend hohem Niveau zeigen konnte. Am Ende der Saison lag er im Sprint-Gesamt-Weltcup auf dem zwölften Platz. Auch die &lt;a href="Skilanglauf-Weltcup%202007/08"&gt;Saison 2007/08&lt;/a&gt; begann erneut mit guten Sprintergebnissen in Düsseldorf. Hier belegte der Sprintspezialist den siebten Platz.