ב-1973 החלה את שירותה במחלקת המדינה של ארצות הברית. בתחילת הקריירה שלה שימשה יועצת כלכלית בין השאר בלשכת המודיעין והמחקר ובלשכת הכלכלה והעסקים של מחלקת המדינה. בשנים 1984–1988 שימשה נספחת כלכלית וקונסולית בערב הסעודית, בשנים 1988–1991 שימשה חברה במשלחת ארצות הברית למוסדות האו"ם בז'נבה, בשנים 1991–1993 שימשה ראש מחלקת מדינות הרי האנדים (דרום אמריקה) ולאחר מכן שימשה סגנית לתת-מזכיר מחלקת המדינה לענייני האמריקות.
ב-1997 מונתה לשגרירת ארצות הברית באל סלוודור, בשנת 2000 מונתה לשגרירת ארצות הברית בקולומביה. ב-2003 חזרה לארצות הברית ומונתה למשנה למפקח הכללי של מחלקת המדינה. ב-2004 מונתה למשנה לשגריר ארצות הברית באומות המאוחדות, ולאחר התפטרותו של השגריר ג'ון דנפורת' מילאה את מקומו מינואר 2005 עד כניסתו לתפקיד של ג'ון בולטון באוגוסט אותה שנה. בתפקידה הבא שימשה תת-מזכיר המדינה לענייני המלחמה בסמים ובפשיעה בינלאומית.
ביולי 2007 מונתה לשגרירת ארצות הברית בפקיסטן וכיהנה בתפקיד עד אוקטובר 2010. באוגוסט 2011 מונתה לשגרירה במצרים, היא כיהנה בתפקיד במהלך תקיפת שגרירות ישראל במצרים, במהלך הבחירות במדינה ביוני 2012 ועלייתם לשלטון של הנשיאמוחמד מורסי ותנועת האחים המוסלמים. בתקופת ההפיכה במצרים בקיץ 2013, הייתה מושא למחאות עקב זיהויה וזיהוי ארצות הברית כתומכים במורסי ובאחים המוסלמים.[1][2] זמן קצר לאחר הדחתו של מורסי נאלצה פטרסון לעזוב את תפקידה והוחלפה על ידי רוברט ביקרופט. בדצמבר 2013 מונתה לתת-מזכיר המדינה לענייני המזרח הקרוב, תפקיד בו כיהנה עד פרישתה משירות החוץ בינואר 2017. לאחר פרישתה מונתה לחברה בוועדה המייעצת לאסטרטגיית ביטחון לאומי במחלקת ההגנה של ארצות הברית.[3]
במהלך שירותה הדיפלומטי עוטרה באות מסדר חוזה מטיאס דלגדו מממשלת אל סלוודור, באות מסדר הקונגרס מהקונגרס הקולומביאני ובאות מסדר בויאקה מממשלת קולומביה. כמו כן זכתה למספר פרסים ועיטורי שירות ממחלקת המדינה של ארצות הברית.
