Az 1988. augusztus 5-én született Pellegrini hazai versenyen 1995-ben, világversenyen a 2003-as barcelonai világbajnokságon állt rajthoz, akkor még komolyabb eredmény nélkül. Egy évvel később az athéni olimpián azonban megszerezte első érmét, ezüstöt nyert a 200 méteres gyorsúszásban.

A 2007-es világbajnokságon már az elődöntő során világcsúcsot úszott, Franziska van Almsick rekordját mintegy két tizeddel megdöntve. Az 1:56,47-es világcsúcs nem volt hosszú életű, másnap a döntőben ugyanis a francia Laure Manaudou még ennél is gyorsabb volt. Mivel Pellegrininek nem sikerült a döntőben megismételnie előző napi teljesítményét, csak a bronzérem jutott neki.

Második aranyérmét világcsúccsal nyerte a 2008-as eindhoveni Európa-bajnokságon 4:01,53-as időeredménnyel. A pekingi olimpiára már fő esélyesként érkezett, és a várakozásoknak megfelelően 2008. augusztus 13-án megszerezte élete első olimpiai bajnoki címét, miután a 200 méteres gyorsúszás döntőjét világcsúccsal megnyerte.

2009-ben hazai pályán, a római világbajnokság 400 méteres gyorsúszó számában lett világbajnok, a döntőben elért 3:59,15-es eredménye a világ első 4 percen belüli ideje.

A 2010-es budapesti Eb-n 800 méteres gyorsúszásban bronzérmet, 200 méteren aranyérmet szerzett.

A 2011-es sanghaji világbajnokságon megvédte címét 200 és 400 méter gyorson, majd a 2013-as barcelonai, valamint a 2015-ös kazanyi vébén is ezüstérmet nyert 200 gyorson.