Wspólnie z Sundbym, Rønningiem i Tordem Asle Gjerdalenem zwyciężył w sztafecie, a indywidualnie był najlepszy także w biegu na dystansie 50 km technika dowolną, w którym wyprzedził Wylegżanina o 1,7 sekundy oraz Gjerdalena o 6,3 sekundy. Wraz ze swoją rodaczką Marit Bjørgen zostali najbardziej utytułowanymi sportowcami na tych mistrzostwach, oboje zdobyli po 5 medali, z tym że Norweżka wywalczyła aż cztery złote. W rywalizacji Pucharowej Petter nie pojawił się w inauguracyjnym cyklu Ruka Triple, startując w grudniu 2010 roku w Davos, gdzie był trzynasty w biegu na 15 km klasykiem, a w sprincie stylem dowolnym zajął 28. miejsce. Sześć dni później w La Clusaz był drugi w biegu na 30 km stylem dowolnym. W piątej edycji Tour de Ski był ponownie drugi, o 27 sekund za Cologną i ponad minutę przez Lukášem Bauerem. W czterech etapach stanął na podiu, w tym 8 stycznia w Val di Fiemme wygrał bieg na 20 km klasykiem. Ponadto był trzeci w sprincie stylem dowolnym i biegu na 15 km klasykiem w Drammen oraz zwyciężył w Finale Pucharu Świata. W klasyfikacji generalnej ponownie musiał uznać wyższość Dario Cologni, zajmując też siódme miejsce w klasyfikacji sprinterskiej i czwarte w dystansowej.