Pettit è nato nello stato dell'Oregon, è sposato ed ha due figli. Nel 1978 ha conseguito un bachelor of science in ingegneria chimica presso l'Università dell'Arizona.
Nel 1996 è stato selezionato come candidato astronauta. È stato specialista di missione nell'equipaggio Expedition 6 che, fra il 2002 ed il 2003, è stato nella Stazione Spaziale Internazionale (partito con la missione STS-113 dello Shuttle e rientrato con la Sojuz TMA-1). Nel corso dei 161 giorni della missione Pettit ha compiuto due passeggiate spaziali per aiutare ad installare dell'equipaggiamento scientifico esterno. Successivamente è stato scelto come specialista di missione a bordo dell'Endeavour, nella missione STS-126.
Curiosità
Nel 2012 è divenuto famoso sul web per aver girato uno spot per l'uscita della versione NASA di Angry Birds, a bordo della stazione spaziale internazionale.
Onorificenze
Medaglia per i contributi alla conquista dello spazio (Russia)
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