Д-р Петя Осенова е професор в катедра Български език, Факултет по славянски филологии, СУ „Св. Климент Охридски". Преподава съвременен български език (морфология и синтаксис).
Интересите й са в областта на формалната лингвистика, езиковите технологии и ресурси, компютърната лингвистика, електронното обучение, машинния превод. Специализирала е в областта на компютърната лингвистика като постдокторант в Тюбингенския университет, Германия (2003), Университета в Грьонинген, Холандия (2004) и като Фулбрайтов стипендиант в Станфордския университет в САЩ (2010). Дългогодишен организатор на българската част на ежегодното международно състезание по отговаряне на въпроси (CLEF), рецензент на основни конференции и форуми по езикови технологии, като ACL (Association of Computational Linguistics), LREC (Language Resources and Evaluation), TLT (Treebanks and Linguistic Theories), RANLP (Recent Advances in NLP) и др. Автор е на книгата Формална граматика на българския език (2007, в съавторство с Кирил Симов) и на над 80 научни публикации.