Na mistrovství světa v Římě v roce 2009 Pellegrini znovu zlomila světový rekord v běhu na 400 m volným stylem s časem 3:59.15, vyhrála zlatou medaili a stala se tak první plavkyní, která prolomila čtyřminutovou bariéru v této události; vyhrála zlatou medaili také na 200 m volným stylem a zlomila svůj vlastní světový rekord s časem 1:52.98. Na mistrovství Evropy v krátkém běhu v Istanbulu v roce 2009 zlomila světový rekord v běhu na 200 m volným stylem s časem 1:51,17. Na mistrovství Evropy 2010
V Budapešti Pellegriniová získala bronzovou medaili na 800 m volným stylem za Lotte Friisovou a Ophélie-Cyrielle Etienneovou a zlatou medaili na 200 m volným stylem s časem 1:55.45; ve stejném roce oznámila, že bude pracovat s bývalým trenérem Laure Manadou, Philippe Lucasem.