Iš pradžių iš Nus, Pellegrino debiutavo pasaulio čempionate 2009/10 sezone. Jis pasiekė geriausius rezultatus sprinto varžybose ir laimėjo Sprinto taurę 2015-2016 metų sezone, tapdamas pirmuoju ne skandinavu, laimėjusiu Sprinto pasaulio taurę. Nuo 2018 m. lapkričio 30 d. Pellegrino laimėjo 12 individualių pasaulio taurės pergalių, visų jų sprintai: jis turi daugiausiai individualių pergalių rekordą italų krepšinio pasaulio čempionate. 2015 m. pasaulio čempionate laimėjo savo pirmąjį tarptautinį medalią slidinėjime.
Falune, Švedijoje. Kartu su Dietmar Nöckler, Pellegrino laimėjo bronzinį medalį komandinio sprinto klasikoje. 2017 m. jis tapo pasaulio čempionu, laimėjęs sprinto laisvosios stiliaus varžybas 2017 m. pasaulio čempionate Lahti, Suomijoje. Tai buvo pirmasis Italijos vyrų aukso medalis Šiaurės pasaulio čempionate nuo 2007 m., kai Renato Pasini ir Cristian Zorzi laimėjo komandinį sprintą. Jis buvo Italijos komandos narys, kuri laimėjo antrą iš eilės šalies medalį komandiniame sprinto varžybose, šį kartą sidabro medalį kartu su savo komandos draugu Dietmaru Nöckleru.