Po raz pierwszy na arenie międzynarodowej Øystein Pettersen pojawił się 30 listopada 2002 roku podczas zawodów FIS Race w Gålå, gdzie zajął siedemnaste miejsce w sprincie techniką klasyczną. W 2003 roku wystartował na mistrzostwach świata juniorów w Sollefteå, gdzie wspólnie z kolegami z reprezentacji zdobył srebrny medal w sztafecie, a indywidualnie był między innymi piąty na dystansie 10 km stylem klasycznym. na rozgrywanych trzy lata później mistrzostwach świata młodzieżowców w Kranju jego najlepszym wynikiem było czwarte miejsce w sprincie stylem dowolnym. W Pucharze Świata zadebiutował 6 marca 2003 roku w Oslo, gdzie zajął 45. miejsce w sprincie techniką klasyczną. Pierwsze pucharowe punkty zdobył pięć dni później w Drammen, zajmując 24. miejsce w tej samej konkurencji. Po raz pierwszy na podium zawodów PŚ stanął 28 października 2006 roku w Düsseldorfie, gdzie był drugi w sprincie stylem dowolnym, przegrywając tylko ze swym rodakiem - Eldarem Rønningiem. Później Norweg jeszcze kilkakrotnie plasował się w czołowej trójce, lecz nigdy nie zwyciężył. W 2010 roku brał udział w igrzyskach olimpijskich w Vancouver, gdzie razem z Petterem Northugiem wywalczył złoty medal w sprincie drużynowym techniką dowolną. Na tych samych igrzyskach wystąpił także w sprincie indywidualnym stylem klasycznym. W finale tej konkurencji do połowy dystansu biegł na trzeciej pozycji, jednak na jednym z zakrętów zderzył się z Kazachem Aleksiejem Połtoraninem. Upadek wykluczył obu zawodników z walki o podium. Na sześciu startujących w finale Kazach był ostatecznie piąty, a Norweg szósty. Na rozgrywanych rok później mistrzostwach świata w Oslo rywalizację w sprincie indywidualnym stylem dowolnym Pettersen zakończył na 41. pozycji. Nie znalazł się w kadrze Norwegii na mistrzostwa świata w Val di Fiemme w 2013 roku.