W marcu 2011 roku został także mistrzem kraju na dystansie 50 km stylem dowolnym.
Sezon 2011/2012 Norweg zaczął od zajęcia drugiego miejsca w biegu na 15 km stylem dowolnym w Sjusjøen 19 listopada 2011 roku. W czterech kolejnych startach odniósł trzy zwycięstwa: w cyklu Ruka Triple, biegu na 30 km stylem dowolnym 10 grudnia w Davos oraz tydzień później w biegu na 15 km klasykiem w Rogli. Do tego czasu był liderem Pucharu Świata, jednak prowadzenie to stracił po szóstej edycji Tour de Ski, w której zajął trzecie miejsce. Northug między innymi wygrał dwa etapy (bieg na 3,75 km s. dowolnym w Oberhofie i bieg łączony w Oberstdorfie) i trzykrotnie był drugi, jednak podczas ostatniego etapu, podbiegu na Alpe Cermis uzyskał dopiero 24. wynik, tracąc szansę na pozycję wyższą niż trzecia. Po zakończeniu TDS Northug oraz Bjørgen oświadczyli, że są zbyt zmęczeni, by wystartować w mistrzostwach krajurp.pl: Bjoergen: Nienawidzę przegrywać . Presja sponsorów i telewizji sprawiła, że oboje wzięli udział w tych zawodach, jednak Petter wycofał się po tym jak zajął 40. miejsce w biegu na 15 km stylem dowolnym.