Bij haar internationale seniorendebuut, op de Europese indoorkampioenschappen van 2009 in Turijn, liep Petersen in de serie van de 400 m in 53,85 s een nationaal record. In de halve finale slaagde zij er echter niet in om die prestatie te herhalen en strandde zij met 54,63. Later dat jaar, op de universiade in Belgrado, behaalde de Deense op de 400 m horden in 56,40 de bronzen medaille. Kort daarna eindigde zij op de Europese kampioenschappen onder 23 jaar als zesde op dit onderdeel, maar tijdens het hoogtepunt van het seizoen, de wereldkampioenschappen in Berlijn, werd zij in de halve finales van de 400 m horden uitgeschakeld. Ook hier had zij in haar serie een snellere tijd laten noteren. Nog in datzelfde jaar onderging zij een operatie aan haar voet, waardoor het lang duurde, voordat zij in 2010 weer op toeren kwam. Toch wist zij zich te kwalificeren voor de Europese kampioenschappen in Barcelona, waar zij overigens reeds in de series van de 400 m horden strandde.