Pierwszy tytuł zdobyła już w drugim starcie wygrywając French Open pokonując Becky Morgan po dogrywce. Zajęła drugie miejsce w klasyfikacji Order of Merit i została mianowana LET Rookie of the Year.
Sezon 2002 rozpoczął się dla Pettersen od przegranej w dogrywce przeciwko Karrie Webb w AAMI Australian Women’s Open. Zajmując miejsce w pierwszej dziesiątce w jeszcze dwóch turniejach udało się jej dostać do reprezentacji Europy w 2002 Solheim Cup. W meczu singlowym przeciwko Michelle Redman miała już pięć punktów straty na pięć dołków do końca, jednak udało się jej doprowadzić do remisu i zdobyć dla Europy pół punktu, po tym jak jej przeciwniczka zademonstrowała jedno z najbardziej dramatycznych potknięć w historii meczów golfowych. Podczas turnieju kwalifikacyjnego do LPGA Tour zajęła dziesiąte miejsce zdobywając kartę na sezon 2003.
W sezonie 2003 zagrała 5 turniejów LET przechodząc we wszystkich cuty, a w HP Open zajmując nawet drugie miejsce za Sophie Gustafson. Na LPGA Tour zagrała cały swój debiutancki sezon, w trakcie którego jej najlepszym osiągnięciem było trzecie miejsce w Chick-fil-A Charity Championship. Tego roku dostała też dziką kartę do europejskiej drużyny na Solheim Cup.