Voltooi de volgende zin: Op het Wereldkampioenschap van 2009 in Rome brak Pellegrini opnieuw het wereldrecord op de 400 m vrije stijl met een tijd van 3:59.15, waarbij ze de gouden medaille won en daarmee de eerste vrouwelijke zwemmer werd die de barrière van 4 minuten in het evenement brak; ze won ook de gouden medaille op de 200 m vrije stijl en ze brak haar eigen wereldrecord met een tijd van 1:52.98. Op de Europese kampioenschappen van 2009 in Istanbul brak ze het wereldrecord in de 200 m vrije stijl met een tijd van 1:51,17. Bij de
2010 Europees Kampioenschappen in Boedapest Pellegrini won de bronzen medaille in de 800 m vrije stijl, achter Lotte Friis en Ophélie-Cyrielle Etienne, en de gouden medaille in de 200 m vrije stijl met een tijd van 1: 55.45; in hetzelfde jaar kondigde ze aan dat ze zou werken met Laure Manadou's voormalige coach, Philippe Lucas.