Pettersen ble cand.philol. i idéhistorie ved UiO med hovedoppgaven i 1990. I 2004 ble hun dr.art. i filosofi samme sted; avhandlingen ble utgitt i bearbeidet form på det amerikanske forlaget Lexingtion Books som i 2008. Hun ble ansatt som universitetslektor ved det daværende Filosofisk institutt ved UiO i 1992, og var i perioden 2004–2006 postdoktor og forskningsleder ved Etikkprogrammet. I perioden 2006–2010 var hun førsteamanuensis ved seksjon for filosofi ved Institutt for filosofi, ide- og kunsthistorie og klassiske språk, og i perioden 2011–2019 professor ved samme institutt. I 2019 tiltrådte hun et professorat i tverrfaglig kjønnsforskning ved Senter for tverrfaglig kjønnsforskning.