Ole Petersen erforscht die Calcium-Signalübertragung, Organellen-Dysfunktion und akute und chronische Pankreatitis. So hat er entdeckt, wie Alkohol-Abbauprodukte eine exzessive Calcium-Freisetzung verursachen und damit Pankreatitis auslösen, eine Krankheit, bei der die Bauchspeicheldrüse sich selbst und ihre Umgebung verdaut. Petersen hat intrazelluläre Rezeptor-Mechanismen identifiziert, die für alkoholinduzierte Pankreatitis verantwortlich sind, und er hat gezeigt, wie diese Mechanismen unterdrückt werden können.

Petersen studierte Medizin in Kopenhagen, wo er 1969 promoviert wurde und sich 1972 auch habilitierte. Von 1975 bis 1981 war er Professor für Physiologie an der University of Dundee (UK), von 1981 bis 1998 Chairman des Department of Physiology und bis 2009 George Holt Professor of Physiology an der University of Liverpool (UK). Von 2010 bis 2015 war er Direktor und Leiter der Cardiff School of Biosciences, Cardiff University (UK) und bis 2017 dort zugleich Medical Research Council Professor. Seit 2017 ist er Professor für Physiologie und Direktor des Academia Europaea – Cardiff Knowledge Hub an der Cardiff School of Biosciences. Ole Petersen ist seit 2010 Mitglied der Leopoldina in der Sektion Physiologie und Pharmakologie/Toxikologie.

Die 1887 gegründete American Physiological Society (APS) war die erste US-amerikanische Gesellschaft auf dem Gebiet der Biomedizin. Sie hat mehr als zehntausend Mitglieder und veröffentlicht 15 internationale Fachzeitschriften.