Petter Northug remporte seize médailles lors des championnats du monde dont treize titres. Lors de sa première participation en 2007 à Sapporo, il remporte le titre en relais avec Eldar Rønning, Odd-Bjørn Hjelmeset et Lars Berger. Lors de l'édition de 2009, il remporte trois titres mondiaux avec la poursuite devant Anders Södergren et Giorgio di Centa, le devant Maxim Vylegzhanin et Tobias Angerer, et le relais avec Rønning, Hjelmeset et Tore Ruud Hofstad. Lors des Mondiaux 2011, il gagne cinq autres médailles dont trois titres - la poursuite devant Vylegzhanin et Ilia Chernousov, le devant Vylegzhanin et Tord Asle Gjerdalen, et le relais avec Rønning, Martin Johnsrud Sundby et Gjerdalen, et deux médailles d'argent en sprint derrière Marcus Hellner et le sprint par équipes avec Ola Vigen Hattestad. Il remporte deux nouveaux titres en 2013, le 15 kilomètres libre et le relais, où il est associé à Tord Asle Gjerdalen, Eldar Rønning et Sjur Røthe, et l'argent sur le sprint. Lors des championnats du monde de Falun en 2015, il obtient un dixième titre de champion du monde en remportant l'épreuve de sprint classique devant Alex Harvey et Ola Vigen Hattestad, devenant le premier skieur de l'histoire médaillé d'or dans toutes les épreuves des championnats du monde.