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, Oscar („Ballo in maschera“), Rosina, Lulu und Königin der Nacht sang. Gastspiele führten Marlis Petersen schon damals u. a. an die Opernhäuser von Berlin, Bremen, Düsseldorf, Hannover, München und Frankfurt. Mit Beginn der Spielzeit  1998/99 wurde sie an die Deutsche Oper am Rhein engagiert, wo sie als Susanna in „Le Nozze di Figaro“ debütierte  und in der Folge Donizettis Regimentstocher, Sophie, Norina, das Schlaue Füchslein, Viola (in Manfred Trojahns  „Was ihr wollt“), Konstanze und Ophélie („Hamlet“ von Ambroise Thomas) sang.

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, wo sie auch als Donna Clara in „Der Zwerg“ von Zemlinsky und als Thais (Massenet) auftrat. Als Zerbinetta brillierte sie am Londoner Covent Garden, bei den Bregenzer Festspielen wirkte sie als Oscar mit, in Genf war sie die Nachtigall in „Die Vögel“ von Walter Braunfels, an der Opéra Bastille in Paris, an der Metropolitan Opera New York und an der Chicago Lyric Opera Adele in Strauss’ „Fledermaus“. Die Salzburger Festspiele verpflichteten Marlis Petersen für Mozarts „Re Pastore“ (Elisa) und „Figaro“ (Susanna), als Konstanze gastierte sie am Théâtre de la Monnaie und beim Festival von Aix-en-Provence, in Haydns „Orlando Paladino“ war sie in der Staatsoper Berlin zu hören. Bei den Münchner Opernfestspielen 2008 gab sie als Zdenka („Arabella“) ihr Début in der Bayerischen Staatsoper. 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 kürzlich die Uraufführung von Aribert Reimanns „Medea“ an der Wiener Staatsoper. Mit grossem Erfolg sang sie kürzlich Lulu und Ophélie an der New Yorker Met.

Im Konzertbereich arbeitet die Sopranistin eng mit Helmuth Rilling und der Internationalen Bachakademie Stuttgart sowie mit René Jacobs zusammen. Ausserdem konzertierte sie u. a. mit den Orchestern der RAI Turin („Die Schöpfung“ unter Jeffrey Tate), der Santa Cecilia in Rom sowie beim Boston Symphony Orchestra.

Opernauftritte werden Marlis Petersen nach Los Angeles (Susanna), Graz (Rollendébut als Traviata), nach Aix-en-Provence (Donna Anna) und Chicago (Norina) führen.