Der Schwerpunkt von Marlis Petersens Repertoire liegt im klassischen Koloraturfach, doch hat sie sich auch als Interpretin zeitgenössischer Musik einen Namen gemacht. Nach dem Studium an der Musikhochschule Stuttgart und bei Sylvia Geszty ergänzte sie ihre Ausbildung in den Spezialgebieten Oper, Neue Musik und Tanz. Sie begann ihre Laufbahn als Ensemblemitglied der Städtischen Bühnen Nürnberg, wo sie Partien wie Ännchen, Blonde, Adele, Rosina, Lulu und Königin der Nacht sang. Danach war sie von 1998 bis 2003 an der Deutschen Oper am Rhein engagiert.

Ihren Einstand an der Wiener Staatsoper gab Marlis Petersen mit Lulu. Diese zentrale Partie ihres Repertoires sang sie auch in Peter Konwitschnys viel beachteter Hamburger Inszenierung, an der Chicago Lyric Opera und in einer Neuproduktion in Athen.

Seitdem ist sie ein ständiger Gast auf den bedeutendsten Opernbühnen dieser Welt, u.a. an der Opéra de Paris, dem Théâtre de la Monnaie in Brüssel, der Staatsopern in Berlin, Hamburg, München und Wien, dem Theater an der Wien, der Metropolitan Opera in New York, der LA Opera, der Chicago Lyric Opera und den Festspielen von Salzburg und Aix-en-Provence.

Zu ihren wichtigsten Rollen gehören u.a. die Lulu, Traviata, Susanna (Le nozze di Figaro), Pamina (Die Zauberflöte), Adele und Rosalinde (Die Fledermaus), Marguerite (Les Huguenots), Manon, Thais und Elettra (Idomeneo). Einen sensationellen Erfolg feierte sie in der Neuproduktion der Lulu an der Bayerischen Staatsoper München, den sie mit ihrem Abschied von der Rolle an der Metropolitan Opera in New York nochmals wiederholen konnte. Herausragend und viel beachtet war auch ihre Traviata in der Inszenierung von Peter Konwitschny in Graz und Wien, sowie ihr von Presse und Publikum bejubeltes Debut als Donizettis Maria Stuarda im Theater an der Wien. Die Saison 2018-2019 startete für Marlis Petersen mit der Titelpartie von Händels Alcina am Theater an der Wien. An die Semperoper Dresden kehrte sie als Lustige Witwe zurück, bevor sie sich im Juni 2019 mit ihrem Rollendebüt als Richard Strauss‘ Salome an der Bayerischen Staatsoper unter der Leitung von Kirill Petrenko einen fulminanten Erfolg feierte, gefolgt von einer Neuproduktion von Korngolds Die tote Stadt wiederum unter der Leitung von Kirill Petrenko und in der Inszenierung von Simon Stone. Des Weiteren war Marlis Petersen in einer Neuproduktion von Richard Strauss‘ Salome am Theater an der Wien zu hören. Mit einer Neuproduktion von Korngolds Die Tote Stadt an der Monnaie in Brüssel startet Marlis Petersen in die Saison 2020-2021. Ein weiterer Höhepunkt wird ihr Rollendebüt als Marschallin in der Neuproduktion von Richard Strauss Rosenkavalier an der Bayerischen Staatsoper sein.

Zu den bedeutenden Uraufführungen, bei denen Marlis Petersen mitwirkte, zählen Hans Werner Henzes Phaedra in Berlin und Brüssel, Manfred Trojahns La grande magia an der Semperoper Dresden und die Uraufführung von Aribert Reimanns Medea an der Wiener Staatsoper.

Als Konzertsängerin ist Marlis Petersen auf allen großen Podien zu Gast. Gastspiele in Europa und den USA ermöglichten die Zusammenarbeit mit Dirigenten wie Zubin Mehta, Lorin Maazel, Christoph Eschenbach, Antonio Pappano, Kirill Petrenko, Jeffrey Tate, Daniel Harding, Ingo Metzmacher, Thomas Hengelbrock, Louis Langrée u.a.m. Die leidenschaftliche Beschäftigung mit der historischen Aufführungspraxis eröffnete den Kontakt zu Spezialisten wie René Jacobs, Ton Koopman, Trevor Pinnock und Helmuth Rilling.

Marlis Petersen arbeitete mit Orchestern wie den Wiener und Berliner Philharmonikern, dem Concertgebouw Orchester, dem Sinfonieorchester des Bayerischen Rundfunks, dem Boston Symphony Orchestra, dem Mahler Chamber Orchestra sowie dem Rundfunk Orchester Berlin, dem RAI Orchester Turin, dem Orchester der Accademia Nazionale di Santa Cecilia, dem Freiburger Barockorchester, der Akademie für Alte Musik, dem Concentus Musicus Wien und dem Ensemble Modern Frankfurt.

Neben den großen Opernpartien, ist es für Marlis Petersen ein großes Anliegen, das Konzert- und Liedrepertoire mehr und mehr in den Fokus zu stellen. Das Liedprogramm Dimensionen Weltpräsentierte sie mit Stephan Matthias Lademann am Klavier in Stuttgart, im Wiener Musikverein und in der Londoner Wigmore Hall. Das Folgeprogramm Anderswelt war gemeinsam mit Camillo Radicke am Klavier im Rahmen der Opernfestspiele München, beim Fränkischen Sommer, in Eisenstadt, und wiederum in der Londoner Wigmore Hall zu hören. Mit dem mit dem Programm Innenwelt gibt Marlis Petersen 2021 Liederabende an der Seite von Stephan Matthias Lademann im Wiener Konzerthaus, in der Pariser Philharmonie, in Vevey, Passau, beim Liedfestival Zeist, beim Fränkischen Sommer, an der Frankfurter Oper und in der Kölner Philharmonie.

Marlis Petersen wurde mit dem 1. Österreichischen Musiktheaterpreis 2013 für die Darstellung der drei Frauen in Les Contes d‘Hoffmann am Theater an der Wien ausgezeichnet. 2020 wurde sie von der Zeitschrift Opernwelt zum 4. Mal zur Sängerin des Jahres gekürt. 2020 erhielt Marlis Petersen den Opus Klassik als Sängerin des Jahres.