Der Schwerpunkt von Marlis Petersens Repertoire liegt im klassischen Koloraturfach, doch hat sie sich auch als Interpretin zeitgenössischer Musik einen Namen gemacht. Ihren Einstand an der Wiener Staatsoper gab Marlis Petersen mit Lulu. Diese zentrale Partie ihres Repertoires sang sie auch in Hamburg, an der Chicago Lyric Opera und in Athen. Als Konstanze gastierte sie an der Oper Frankfurt. 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 Aribert Reimanns Medea an der Wiener Staatsoper. Für die Interpretation dieser Rolle wurde sie 2010 von der Zeitschrift Opernwelt zum zweiten Mal – nach 2004 für die Hamburger Lulu – zur Sängerin des Jahres gekürt. In jüngster Zeit sang sie mit großem Erfolg Lulu und Ophélie an der New Yorker Met, Susanna an der Los Angeles Opera, gab ihr Debüt als Violetta in Peter Konwitschnys Traviata-Inszenierung an der Oper Graz und feierte einen großen Erfolg als Marguérite in Meyerbeers Hugenotten in Brüssel. Im Konzertbereich arbeitet die Sopranistin eng mit Dirigenten wie Zubin Mehta, Lorin Maazel und Christoph Eschenbach sowie mit Orchestern wie den Wiener Philharmonikern, dem Boston Symphony Orchestra und dem Mahler Chamber Orchestra zusammen. Die leidenschaftliche Beschäftigung mit der historischen Aufführungspraxis eröffnete den Kontakt zu Spezialisten wie René Jacobs, Ton Koopman, Trevor Pinnock und Helmuth Rilling. In den nächsten Jahren möchte sich Marlis Petersen vermehrt dem Lied-Genre widmen.