Op de Wereldkampioenschappen van 2009 in Rome brak Pellegrini opnieuw het wereldrecord in 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 brak in het evenement; ze won ook de gouden medaille in 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. Op het EK 2010
in Boedapest won Pellegrini 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.