Marlis Petersen studierte Gesang in Stuttgart. Nach einem Engagement an den Städtischen Bühnen Nürnberg war sie von 1998 bis 2003 Ensemblemitglied an der Deutschen Oper am Rhein. 2003 debütierte sie an der Bayerischen Staatsoper mit der Partie der Königin der Nacht. Ihren Einstand an der Wiener Staatsoper gab sie mit Alban Bergs Lulu, die sie auch in Hamburg, Chicago, New York und Athen sang. 2011 debütierte sie als Violetta in Konwitschnys Traviata-Neuinszenierung in Graz. Zu den Uraufführungen, bei denen sie 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. Höhepunkte der jüngsten Vergangenheit waren ihr Rollendebüt als Salome an der Bayerischen Staatsoper, Marietta in Korngolds Die tote Stadt am La Monnaie in Brüssel, ihr Rollendebüt als Marschallin in der Neuproduktion von Der Rosenkavalier an der Bayerischen Staatsoper sowie Emilia Marty in Vec Makropulos an der Berliner Staatsoper. Jüngst gab sie Liederabende u.a. im Wiener Konzerthaus, der Berliner Philharmonie, in der Kölner Philharmonie, im Teatro de la Zarzuela in Madrid, in der Londoner Wigmore Hall, dem Heidelberger Frühling und den Bregenzer Festspielen. 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 sie den Opus Klassik als «Sängerin des Jahres» und 2021 wurde sie mit dem Titel «Bayerische Kammersängerin» geehrt.