Ole Petersen entdeckte die Mechanismen, die die Sekretion der exokrinen Drüsen steuern. Er leistete Pionierarbeit bei der Aufzeichnung von Einzelkanalströmen in Epithelzellen. Dabei beschrieb er verschiedene Arten von Calcium-aktivierten Ionenkanälen, die bedeutend für die Flüssigkeitssekretion sind. Darüber hinaus entdeckte er, wie Alkohol-Abbauprodukte die übermäßige Freisetzung von Calcium aus intrazellulären Depots auslösen. Dabei entsteht Pankreatitis, eine Erkrankung, bei der die Bauchspeicheldrüse sich selbst und ihre Umgebung verdaut. Petersen definierte die intrazellulären Rezeptor-Mechanismen, die für die alkoholbedingte Pankreatitis verantwortlich sind und zeigte, wie sie blockiert werden können.

Ole Petersen studierte Medizin in Kopenhagen, wo er 1969 promoviert wurde und sich 1972 habilitierte. Seit 2017 ist er Professor für Physiologie und Direktor des Academia Europaea – Cardiff Knowledge Hub an der Cardiff School of Biosciences. Seit 2016 ist Petersen Vize-Präsident der Academia Europaea. Im Jahr 2000 wurde er zum Fellow der Royal Society gewählt, seit 2010 ist er Mitglied der Leopoldina in der Sektion Physiologie und Pharmakologie/Toxikologie. 2018 erhielt Petersen den Walter B Cannon Memorial Award der American Physiological Society. Er ist außerdem Chefredakteur der „Function“, einer Open-Access-Zeitschrift der American Physiological Society, die 2020 erscheinen soll.