На Олимпийских играх в Ванкувере Нортуг выиграл 4 медали в 6 гонках. Сначала Петтер взял бронзу в личном спринте классическим стилем, уступив двум российским лыжникам. Затем вместе с Эйстейном Петтерсеном Нортуг выиграл командный спринт свободным стилем. В эстафете Нортуг бежал на последнем этапе и сумел «поднять» норвежцев с 4-го места на второе, опередив чехов и французов и показав абсолютно лучший результат из всех лыжников, бежавших этапы свободным стилем, но отрыв шведа Маркуса Хельнера был слишком велик — Петтер проиграл ему более 15 секунд на финише. В последней гонке Олимпиады — масс-старте на 50 км классическим стилем — Нортуг выиграл своё второе олимпийское золото, на финише опередив соперников своим фирменным ускорением. В двух других гонках (15 км и дуатлоне) Петтер в Ванкувере не сумел попасть в 10-ку лучших.