Petraeus wurde am 1. Januar 2003 zum Major General befördert, kommandierte bereits vom Juli 2002 bis zum Mai 2004 die 101. US-Luftlandedivision. Er führte die ca. 18.000 Soldaten umfassende Division u. a. im Irakkrieg (Operation Iraqi Freedom) bei der Einnahme Mosuls und übernahm nach der Zerschlagung des Regimes von Saddam Hussein die schwierige Aufgabe, die neuen irakischen Sicherheitskräfte aufzustellen und auszubilden. Er schickte seine 18.000 Soldaten unter das Volk und kümmerte sich zügig um den Wiederaufbau, um die Sympathien der Bevölkerung zu gewinnen. Binnen zehn Monaten hatten seine Einheiten 4500 Projekte auf den Weg gebracht, die Schulen und Universitäten der Stadt waren wieder in Betrieb, und es gab ansatzweise wieder eine Polizei. Er setzte auch auf Ausgleich mit den entmachteten Kadern der Baath-Partei. Mosul galt schon bald als Musterstadt. Für die Bewältigung dieser Aufgabe wurde er am 18. Mai 2004 zum Lieutenant General befördert und übernahm vom Juni 2004 bis zum September 2005 als Erster das Kommando über das "Multi-National Security Transition Command Iraq". Zugleich leitete er vom Oktober 2004 bis zum September 2005 das NATO-Ausbildungskommando – Irak. Die Lage änderte sich dramatisch, als die 101. Luftlandedivision im Februar 2004 abzog und die Militärführung nur noch einen halb so starken Truppenverband nach Mosul entsandte. Mosul versank im Chaos; die von Petraeus aufgebaute Polizei löste sich unter dem Ansturm der Extremisten auf. Mosul galt 2008, nach dem überstürzten Abzug der Truppen, als die gefährlichste Stadt im Irak. Petraeus lernte daraus und schuf die "Counterinsurgency strategy". In deren Umsetzung wurden die Truppen im Irak um 30.000 Mann aufgestockt.