Pelletier ble olympisk mester i kunstløp under vinter-OL 2002 i Salt Lake City. Hun og Jamie Salé kom hun på delt førsteplass i parløp sammen med Jelena Berezjnaja og Anton Sikharulidze fra Russland. Bronsemedaljene ble vunnet av Shen Xue og Zhao Hongbo fra Kina.