Petersen nació en la pequeña ciudad de Tau pero se mudó a Oslo para sus estudios profesionales. Asistió a la Academia Nacional de Artes de Oslo . Estuvo activa en Rogaland Teater entre 2005 y 2006, luego pasó a trabajar en Det Norske Teatret . Petersen debutó como actriz de pantalla en 2008 con la película dramática Troubled Water . Ha desempeñado papeles principales en producciones como la película Blind del 2014 , Aber Bergen de ITV y la serie Borderliner de Netflix . La actriz ha sido nominada a varios premios a lo largo de su carrera y ha ganado dos premios Amanda, un premio Kanon y un premio Gullruten .
Petersen está casado con el compositor Ola Fløttum . La pareja tiene dos hijos juntos, un hijo y una hija. [2]