Pettersen var ferdig utdannet sivilingeniør i teknisk kybernetikk ved Norges tekniske høgskole (NTH) i 1991. Etter at NTH ble integrert i NTNU i 1996, fikk Pettersen graden dr.ing. i teknisk kybernetikk fra NTNU i 1996 med avhandlingen . Hun har vært professor ved Institutt for teknisk kybernetikk siden 2002 og var instituttleder der i perioden 2011–2013. Siden 2014 har hun også vært professor II ved Forsvarets forskningsinstitutt (FFI). Fra 2013 til 2023 var hun nøkkelforsker ved et av NTNUs senter for fremragende forskning, nærmere bestemt senteret Autonomous marine operations and systems (NTNU AMOS). Hun er også en av grunnleggerne av bedriften Eelume AS.